فیزیک برای غارنوردان

هرچند که عنوان این مقاله برای غارنوردان می باشد ولی مفاهیم ارائه شده جنبه عمومی داشته و برای سایر گرایش های کوهنوردی نیز کاربردی می باشد.

همه می دانند که نیرو عامل گسیختگی یک طناب می باشد اما چیزی که شاید به درستی درک نشده باشد این است که نیرویی که توسط یک طناب تجربه می شود به شدت وابسته به خواص مکانیکی طناب می باشد. هنگامی که صحبت از “بارهای ناگهانی” می شود در واقع منظور ، “بارهای دینامیکی” ناشی از توقف یک سقوط می باشد. هنگامی که دانشمندان درباره “بارهای ناگهانی” صحبت می کنند (نظیر آنچه که در مطالعات بالستیک انجام می شود)منظور آنها برخلاف آنچه که در ذهن غارنوردان است، “اعمال به شدت سریع بار” می باشد. برای یک دانشمند ، شرایط بارگذاری که در غارنوردی رخ می دهد فیزیک ساده ای در حد فیزیک نیوتنی می باشد ولی این فیزیک نیوتنی ساده ، ارتباط تنگاتنگی با فنون غارنوردی دارد.

بارهای دینامیکی ، حاصل افزایش یا کاهش سرعت یک جرم می باشد. وزن که حاصل جاذبه گرانشی زمین روی یک جرم می باشد، فقط یک “بار استاتیکی” است. رابطه بین وزن یک شیء و نیروی ایجاد شده توسط شتاب آن بسیار ظریف می باشد. شتاب یک جسم در حال سقوط ناشی از گرانش بوده ولی این باعث ایجاد یک بار ناگهانی یا دینامیکی نمی گردد. بار دینامیکی ، به هنگام توقف سقوط یک جسم ، جایی که سرعت آن توسط اعمال یک نیرو کاهش می یابد به وجود می آید. این نیرو می تواند ناشی از یک طناب بوده یا در اثر برخورد با زمین به وجود آید. همزمان با شروع جذب انرژی فرد سقوط کننده به وسیله طناب ، بار اعمال شده به فرد افزایش می یابد. در طی برگشت به حالت اول، این بار کاهش یافته و نهایتا برابر با وزن شخص می گردد.

یک نیرو صرفا یک بار می باشد، فشار یا کشش روی یک جسم .

کار عضلانی را می توان نمونه بارزی از نیرو دانست. کار حاصل ضرب نیرو در مسافت اعمال نیرو می باشد. به عنوان مثال ، یک فرد 180 پوندی (حدود 81.5 کیلوگرم) اگر 10 فوت(حدود 3 متر) روی یک طناب صعود کند ، کاری برابر با 1800 پوند – فوت در مقابل جاذبه گرانشی انجام داده است. انرژی، ظرفیت یا توانایی انجام کار می باشد. مقدار انرژی یک جسم عملا برابر با مقدار کاری است که می تواند انجام دهد. این مفاهیم جهت درک رفتار یک طناب در طی سقوط مورد نیاز می باشد.

یک جسم هنگام اعمال یک نیرو ، دچار تغییر شکل می گردد. بیشتر اجسام مانند فنرها ، بطور کشسان تا یک نقطه معین تغییر شکل می یابند. هنگامیکه نیرو برداشته می شود تغییر شکل از بین رفته و جسم به حالت اولیه خود باز می گردد. انرژی در تغییر شکل کشسان ذخیره می گردد. فراتر از حد کشسان ، تغییر شکل پلاستیک یا تسلیم رخ داده ، انرژی به هدر رفته و جسم به حالت اولیه اش باز نمی گردد.

هر جسمی را می توان بصورت یک فنر در نظر گرفت. بنابراین آن جسم دارای “ضریب فنری” است که معیاری برای نیروی مورد نیاز جهت جابجایی یا تغییر شکلی معین می باشد. برخی از مواد و اشیاء ، دارای ضریب فنری ثابتی نمی باشند، مانند نوارهای لاستیکی که در یک نقطه معین بطور ناگهانی ضریب فنر آنها افزایش می یابد. فولاد طبیعت متضادی دارد چنانچه تغییر شکل پلاستیک رخ دهد افزایش کوچکی در بار ، اثرات بزرگتری روی کشیدگی آن می گذارد. بیشتر طناب ها دارای ضریب فنر نسبتا ثابتی می باشند. ضریب فنر به سادگی بصورت گرافیکی قابل نمایش بوده و در واقع شیب یک نمودار نیرو برحسب تغییر شکل می باشد.

شکل 1

طناب های استاتیک جهت تغییر شکل کم ، طراحی می شوند بنابراین نسبت به طناب های دینامیک دارای ضریب فنر بالاتری می باشند. مانند یک فنر مارپیچی ، افزایش طول ، باعث کاهش سختی فنر گشته و آن هم به نوبه خود باعث کاهش ضریب فنر می گردد. غارنوردان به این نکته توجه دارند که هنگامی که در انتهای طناب هستند ، دستخوش پیچ و تاب زیادی می باشند اما هنگامیکه به بالای طناب می رسند ، به علت کاهش طول موثر طناب و در نتیجه افزایش ضریب فنر آن ، پیچ و تاب آنها کمتر از حالت اول می گردد . یک نکته جالب در شکل بالا این است که به علت اینکه کار (یا انرژی) حاصل ضرب نیرو در مسافت اعمال نیرو می باشد، سطح زیر منحنی ، انرژی مورد نیاز برای گسیختگی طناب می باشد.

در سنگنوردی ، یک سقوط حمایت شده یک اتفاق متداول می باشد. به علت وجود اصطکاک طناب با کارابین ها در نقاط اتصال طناب به حمایت های میانی ، در یک سقوط حمایت شده ، بیشتر انرژی فرد سقوط کننده تبدیل به حرارت می شود. در یک حمایت ایستا ، با وجود اینکه هیچگونه لغزش طناب روی کارابین ها وجود ندارد باز هم به علت کشش طناب ، این تبدیل انرژی صورت می گیرد. در حمایت دینامیک به علت لغزش طناب ، مقدار انرژی بیشتری جذب شده یا تبدیل به گرما می شود . این عوامل بطور قابل توجهی باعث کاهش بارهای وارد بر فرد سقوط کننده می شود.

در غارنوردی ، سقوط ها نادر بوده ولی در صورت وقوع ، حمایت انجام شده کاملا ایستا می باشد، بخصوص هنگامیکه یک حمایت میانه ثانویه گسیخته شود . حتی اگر از طناب های سنگنوردی برای غارنوردی استفاده شود ، بارهای ناشی از گسیختگی حمایت های میانی ، بسیار بیشتر از بارهای ناشی از یک سقوط با طول یکسان در سنگنوردی می باشد.

غارنوردی را در نظر بگیرید که از نقطه اتکایش در حالی که مقداری از طناب متصل به او آزاد یا شل می باشد سقوط می کند.(از جمله مصادیق سقوط در غارنوردی ، سقوط غارنورد از روی نردبان در حالیکه از طریق یک کارگاه بالا ، بصورت ایستا حمایت می شود) از تعریف انرژی می توان نتیجه گرفت که انرژی جنبشی حاصل از سقوط فرد مذکور ، برابر با حاصل ضرب وزن او در مسافت سقوط می باشد. اگر در این حالت از اصطکاک صرفنظر گردد، تمامی انرژی او باید به وسیله طناب جذب شود. اگر انرژی او بزرگتر از ظرفیت جذب انرژی طناب باشد(سطح زیر منحنی نیرو – تغییر شکل) طناب پاره خواهد شد. اگر انرژی فرد سقوط کننده کمتر از ظرفیت جذب انرژی طناب باشد ، در هنگام اتمام سقوط و یا برطرف شدن شلی طناب ، او و سایر اجزاء کارگاه حمایت ، یک نیروی ضربه ای یا بار دینامیکی تجربه خواهند کرد. همانطور که از شکل بالا پیدا است، این نیروی ضربه ای قابل محاسبه بوسیله منحنی نیرو – تغییر شکل می باشد.

در شکل 2 که نمودار نیرو – تغییر شکل برای طیفی از طناب ها می باشد ، محور افقی به جای مقدار کشش یا کشیدگی بیانگر کرنش طناب می باشد (کشیدگی طناب تقسم بر طول اولیه آن). بر طبق این نمودار، مستقل از طول اولیه طناب و نیز کشیدگی آن ، کرنش ها ی یکسان ، نیرو های یکسانی ایجاد می کنند. این عبارت اساس مفهوم “ضریب سقوط” می باشد. ضریب سقوط نسبت مسافت سقوط به طول موثر طناب می باشد. (شکل 3)

نتیجه ای که از این مطلب گرفته می شود این است که صرفنظر از مسافت سقوط ، تمام سقوط هایی که دارای ضریب سقوط یکسانی هستند به ازای یک وزن مشخص و برای یک طناب خاص ، نیروی ضربه ای یکسانی را ایجاد می نمایند. در غارنوردی عملی ، شرایطی مانند سفت شدگی گره ها ، تغییر شکل بدن انسان و حرکت صندلی فرود روی بدن ، بطور قابل توجهی باعث کاهش بار در سقوط های کوتاه و موقعیت هایی با ضریب سقوط پایین می گردد.

برای زنجیر ، سطح کل منحنی تا نقطه گسیختگی در حدود 120 پوند/فوت می باشد. در واقع این مقدار ، انرژی لازم برای گسیختگی زنجیری به طول یک فوت می باشد. ضریب سقوط را می توان برابر با سطح زیر منحنی نیرو – تغییر شکل تقسیم بر وزن سقوط کننده دانست. طبق نمودار ، یک فرد 180 پوندی با ضریب سقوط 0.67 می تواند باعث پارگی زنجیر گردد.

متاسفانه بدن انسان تحمل نیرو های ضربه ای به اندازه 7800 پوند استحکام زنجیر را ندارد. قوی ترین انسان ها فقط می توانند حدود 15 جی “15g” نیرو را برای لحظاتی کوتاه تحمل کنند. فدراسیون بین المللی کوهنوردی و سنگنوردی UIAA ، حداکثر بار قابل تحمل برای ارزیابی طناب های سنگنوردی را 2650 پوند در نظر گرفته است. طبق منحنی مربوط به طناب دینامیک ، یک فرد 180 پوندی با ضریب سقوط 2.3 (در شرایط عادی حداکثر ضریب سقوط 2 می باشد) یک نیروی 2650 پوندی را در یک سقوط تحمل می کند . البته باید توجه شود که با هر طولی از یک طناب ، باید قبل از برخورد فرد سقوط کننده با زمین یا یک تاقچه سنگی ، انرژی سقوط بوسیله طناب بگونه ای جذب شود که سنگنورد زنده بماند.

طبق منحنی مربوط به طناب های استاتیک یا غارنوردی (قطر 10 میلیمتر)، یک فرد 180 پوندی با ضریب سقوط 0.7 یک نیروی 2650 پوندی را در یک سقوط تحمل خواهد کرد. این ثابت می کند که چرا سازنده های طناب ها به ما می گویند: سرطناب بودن با طناب های غارنوردی می تواند دارای ریسک بالا بوده و خطرناک باشد. یک سقوط با طناب غارنوردی به قطر 10 میلی متر حدود سه برابر بیشتر از همان سقوط روی طناب سنگنوردی ایجاد نیروی ضربه ای می نماید.

شکل 2

شکل 3

موضوع نرمش طناب

خوانندگان باید بدانند که منحنی های شکل های 1 و 2 تقریبا برای طناب های نو معتبر می باشند . باید به این نکته توجه شود که در اثر مرور زمان از استحکام طناب کاسته می شود. اما ضریب فنر طناب و بنابر این ضریب جذب انرژی یک طناب، تغییرات کمی با زمان خواهد داشت. اما ضریب عنر در بیشتر حالات برای زنده ماندن و ادامه حیات از مقدار استحکام مهم تر می باشد. آزمایش های انجام شده توسط اسمیکماتور(1986) و کیپ(1979) به روشنی نشان داد که طناب های کهنه نسبت به طناب های نو سخت تر بوده و در یک سقوط یکسان ، بارهای ضربه ای بزرگتری را ایجاد می نماید. آزمایش های انجام شده توسط استیبراینی(1986) روی طناب های سنگنوردی ساخت چکسلواکی ، نتیجه ای خلاف داده های قبلی را بهمراه داشت. اما محاسبات تئوری نتایج پیشین را بیشتر تایید می نمایند. آزمایش های انجام شده توسط کلوپ کوهنوردی آلمان “Microys, 1977” نشان داد که در طناب های نوی خیس و سرد، افزایش قابل توجهی در سختی دیده می شود.

آزمایش های انجام شده توسط اسمیت(1988) نشان داد که آغشته کردن طناب با ” نرم کننده فابریک غلیظ” باعث کاهش استحکام یک طناب نو می شود. فرانک (1989) نشان داد که طناب های معینی که با نرم کننده ای رقیق آغشته شده اند (بر طبق توصیه های سازنده) بعد از گذر زمان و شستشو ، مستحکم تر از همان طناب بدون نرم شدگی بوده اند. مکانیزمی که فرانک در توجیه این پدیده ارائه کرده است این است که الیافی از یک طناب نو که در اثر مرور زمان خاصیت روانکاری خود را از دست داده اند ، اجازه می دهند که الیاف باعث بریدن هم شوند ، نرم کننده فابریک این نقیصه را جبران می کند. استفاده از نرم کننده غلیظ باعث می شود که طناب بطور موثری خیس شده و این کار باعث کاهش استحکام گردد.

به همان گونه که نرم کننده ها باعث تغییر استحکام طناب می شوند به همان گونه نیز روی ضریب فنر طناب ها موثر می باشند. نظر به اینکه ضریب فنر طناب وابسته به خواص مواد نایلونی و طرز بافت الیاف می باشد ، به احتمال زیاد نرم کننده فابریک از سخت شدگی ناشی از فقدان روانکاری داخلی جلوگیری می کند . جلوگیری از افزایش ضریب فنر به اندازه ممانعت از کاهش استحکام که هدف از آن جلوگیری از گسیختگی طناب است دارای اهمیت می باشد.

تصورات غلط درباره مفهوم استحکام

یکی از مفاهیم غلطی که در متون مربوط به غارنوردی از آن استفاده می شود عبارت ” استحکام شوک” می باشد. منشاء این عبارت احتمالا این چنین می باشد: دو طناب را در نظر بگیرید یکی از جنس نایلون و دیگری از جنس پلی استر، که بر طبق آزمایش کشش دارای استحکام یکسانی می باشند اما در یک سقوط با ضریب سقوط 1 ، پلی استر به مانند یک شاخه درخت شکسته شده و نایلون هیچ آسیبی نمی بیند. نتایج ظاهری این را می گوید که به علت اینکه استحکام شوک خاصیتی متفاوت از استحکام کششی است ، بنابراین برای ارزیابی آن نیاز به آزمایش دینامیکی بوده و پلی استر دارای استحکام شوک پایین تری نسبت به نایلون می باشد. نتیجه بعدی که می توان گرفت این است که از طنابی با جنس پلی استر نباید برای حمایت استفاده کرد . اما این دو عقیده کاملا اشتباه بوده و ما را تشویق به انجام تعدادی آزمایش دینامیکی غیر علمی می کند که گاهی اوقات ممکن است به نتایج غیر صحیح بیشتری منجر شود.

تفسیر نادرست از نتایج آزمایش ها ، غارنوردان و داوطلبین نجات را منتهی به این باور کرده است که سرعت اعمال بار در طی سقوط ، بطور قابل توجهی استحکام طناب را تحت تاثیر قرار می دهد. آزمایش های انجام شده بر روی مواد نایلونی و کمربندهای ایمنی بوسیله صنایع هواپیماسازی ، به سادگی این فرضیه را کنار می زند. ” به عبارت بهتر سرعت اعمال بار ، مقدار حداکثر بار وارد بر فرد سقوط کننده را تحت تاثیر قرار می دهد نه استحکام طناب را.

احتمالا مضرترین نتایج این نگرش این است که استحکام شوک ، سازندگان طناب ها را تشویق به تولید طناب هایی مستحکم تر نماید. در مورد طناب های غارنوردی ، اگر کشیدگی طناب ثابت نگه داشته شده ولی استحکام آن افزایش یابد این امر به ناچار منجر به ساخت طناب سخت تر شده و مزایای استحکام بالاتر به علت افزایش ضریب فنر که موجب بارهای ضربه ای بالاتر می گردد مشخص نخواهد شد. این کار باعث کاهش ناچیز شانس گسیختگی طناب و افزایش قابل توجه شانس زخمی شدن و آسیب دیدگی فرد سقوط کننده در اثر بارهای ضربه ای بالا می گردد.

اما موضوع بعدی در بارگذاری دینامیکی “استحکام گره ها” می باشد. خمیدگی تیز در گره ها منجر به این می شود که یکسری از الیاف طناب بیشتر از سایرین تحت بار قرار گیرند . از این رو ابتدا این الیاف به حد نهایی ظرفیت تحمل بار رسیده و گسیخته شده و سپس باقی الیاف تحت بار بیشتری قرار می گیرند. این وضعیت آنها را در معرض گسیختگی قرار می دهد. گره های مورد استفاده در غارنوردی استحکام طناب را در حدود 30 الی 60 درصد کاهش می دهند بخصوص اگر مرتب زده نشوند. برای بارگذاری های عادی این مورد قابل صرفنظر کردن می باشد. این موضوع هنگامی از اهمیت برخوردار می شود که استحکام طناب گره دار در یک شرایط دینامیکی مانند سقوط ، به زیر حد آستانه تحمل انسانی (2560 پوند) برسد. گره های دریانوردی استاندارد ، گره های بولین و لاسو – بولین و گره هشت ، استحکام طناب را حدود 50 درصد کاهش می دهند . یک طناب 8 میلی متری گره دار با بارهایی کمتر از 2000 پوند گسیخته می شود . بنابراین از گره هایی با خمیدگی ملایم تر که باعث تمرکز تنش کمتری می شوند مانند گره نه باید استفاده شود. این گره استحکام طناب را حدود 30 درصد کاهش می دهد.

در برخی شرایط ، لغزش گره باعث کاهش بار دینامیکی می گردد. در بعضی از متون غارنوردی استفاده از “گره های جاذب شوک” توصیه شده است . آلن واریلد (1994) نشان داده است که اثرات این گره ها خیلی متغیر بوده و برای استفاده در غارنوردی غیر قابل اعتماد می باشند. این گره ها هرچند مقدار بارهای شوک را پایین می آورند ولی قطعا استحکام طناب های بکار رفته را نیز کاهش می دهند.

توصیه ها:

* ارتفاع سقوط تقریبا به اهمیت “ضریب سقوط” نمی باشد.

* از طناب های غارنوردی برای “حمایت سرطناب” استفاده نکنید.

* از طناب های غارنوردی با ضرایب سقوط بالاتر از صفر اجتناب کنید.

* طناب های قطر کوچک نیازمند توجه بیشتری هستند.(از گره نه استفاده کنید)

* وابسته به گره های جاذب شوک نباشید.

* طناب های ضخیم تر هرچند مقاومت سایشی بالاتری دارند اما نسبت به طناب های نازک تر بارهای دینامیکی بیشتری ایجاد می کنند.

* طناب هایی که از نایلون ساخته شده اند را با نرم کننده فابریک مناسبی آغشته کنید. این کار را بر اساس برچسب راهنما انجام داده و از محلول غلیظ استفاده نکنید.

* میانی ها را در نزدیکترین فاصله به یکدیگر قرار دهید تا در صورت گسیختگی میانی بالاتر ، مقدار ضریب سقوط در حد مطلوب باقی بماند.

شاد و پیروز باشید.

برگرفته از سایت کوه نیوز