Анализ экстремальных ситуаций с позиций применения энтропийно-энергетического параметра

Рассмотрена проблема стресса в ауксологическом плане. Показана возможность применения энтропийно-энергетического параметра.

В соответствие высказанным в 80-х годах XIX столетия законом Арндта-Шульца один и тот же раздражитель способен оказать разное действие в зависимости от дозировки: слабые раздражители возбуждают жизненные процессы, средние их усиливают, сильные тормозят и очень сильные парализуют. Например, ионизирующая радиация, антибиотики, токсикозы беременности, хирургическая травма относятся к факторам подавления роста организма, но при малых степенях воздействия оказывают стимулирующее влияние на рост [1, 11, 12]. По данным Б.А. Никитюка [4], девочки, которым в годы Отечественной войны было 5-9 лет, обнаружили ускоренное половое созревание. Вероятно, можно говорить о сочетании нормального роста и развития организма с определенным уровнем внешнего стимулирования. Сочетанное действие слабых неспецифических стрессирующих воздействий может лежать в основе акселерации роста и развития. Но закон Андта-Шульца не сумел объяснить все проявления ответной реакции организма на внешние воздействия.

Некоторые явления в природе и технике происходят за очень малые промежутки времени с большой начальной энергией. В технике к этим процессам можно отнести ковку на молотах, штамповку взрывом, когда одновременно происходят механическое и тепловое воздействия на металл, радиационное воздействие. В живых организмах - это могут быть повреждения, полученные во время внезапных травмирующих воздействий, таких как переломы костей.

Эти явления сопровождаются эффектами, не укладывающимися в обычные рамки соотношений вероятности достижения предельного состояния. Рассмотрение этих явлений с позиции применения энтропийно-энергетического параметра позволяет понять их физический механизм.

Энтропийно-энергетический параметр имеет выражение [4]:

Ф = дитн/инт, (1)

где AU - приращение энергии в процессе нагрузки, Т - абсолютная температура в процессе нагрузки,

UH - начальная энергия,

TH - абсолютная температура в начальный период нагрузки.

Энтропийно-энергетический параметр применяется при определении вероятности достижения предельного состояния [3]:

P = expAUTH/THUH+expi

где Р - вероятность достижения предельного состояния, ехр ф - энтропийный терм, ехр 1ф 1 - восстанавливающий терм.

Рабочая формула для определения вероятности достижения предельного состояния (отказа) может быть записана в виде [5]: .

Р = ехр(ДиТн/инТ)-1, (3)

где (-1) - значение восстанавливающего терма в условиях близких к идеальным (равномерность химической и физической структуры металла). Значение (-1) получается, когда ехр 1ф 1 = ехр in = —1. Значение iw соответствует энергетическому минимуму для идеально упругого тела [4].

Эта формула справедлива, когда эксплуатация или нагружение тела идет от момента времени т, стремящегося к нулю постепенно, начиная с ДИ = 0 и возрастающей постепенно в процессе эксплуатации. Она применяется для расчета ресурса сосудов под давлением и арматуры [9].

Когда тело не нагружено или нагружено незначительно, в нем идут диффузионные процессы выравнивания неоднородности структуры, и тело может эксплуатироваться практически бесконечно долго, так как вероятность достижения предельного состояния близка к нулю. Это используется в практике изготовления корпусных деталей прецизионных станков, когда после изготовления они выдерживаются в не-нагруженном состоянии около 20 лет.

Как показано в [9], первый член этого выражения отражает энтропийные процессы, а второй -восстанавливающие. При этом во 2-й член может входить и 3-й, учитывающий структурные и механические свойства материала.

В отличие от 1-го члена, имеющего всегда действительное значение, 2-й член (ехр 1ф2) имеет

Теория функциональных систем и современные проблемы стресса, адаптации и поведения

2 действительные значения при ф! = О и <р1 = 1л. При этом ехр Ю = 1, a exp in = -1.

При приложении нагрузки первый член ехрО = 1, то есть как бы достигается сразу предельное состояние. Этого, однако, не происходит, потому что тут же мгновенно возникает удерживающая сила от потенциальной энергии свободных электронов при <р2 = in. Следовательно, между действием и противодействием проходит комплексное время.

Второй комплексный член expiO = 1 «работает», когда имеют место экстремальные нагрузки, то есть нагрузки, действующие мгновенно, с очень большими энергиями. Тогда в момент времени, когда действительное и комплексное время равны нулю, будет соотношение:

Р = ехрО +expi 0 =1+1 = 2.        (4)

Вероятность достижения предельного состояния будет в 2 раза больше обычной. Тогда после «панического» увеличения вероятности до 2-х, одна составляющая (комплексная) уходит на рассеяние энергии в окружающем пространстве (механическая, тепловая, звуковая энергия), а остающаяся действительная единица вызывает уравновешивающую противодействующую (-1).

При экстремальных нагрузках таких, например, как ковка нагретых заготовок, энергия падающих частей молота в сотни раз превышает работу по деформации заготовки. Энтропия заготовки ещё более уменьшается за счет её абсолютной температуры (Та6с = 1300-1400К) [3]. Следовательно, энтропийно-энергетический параметр ф —> 0 .

Избыток энергии падающих частей молота идет на сотрясение массивных частей наковальни (станины, фундамента), почвы и окружающего пространства, бесследно исчезает и положительного эффекта не даёт.

В случае облучения потоком нейтронов возникает феномен увеличения прочности металла, позволяющий увеличить его ресурс [6]. В отличие от предыдущего примера, в данном случае энергия не теряется, а идет на созидание положительного эффекта.

В случае ковки металла лишь незначительная часть энергии идет на изменение его структуры. Остальная часть исчезает в окружающем пространстве. В этом случае происходит улучшение структуры материала, который первоначально имел дефекты структуры после изготовления (отливки, прокатки).

На рис. 1 показаны зависимости вероятности достижения предельного состояния для 3-х случаев: I - идеальный случай, II - случай с начальным дефектом, III - случай с восстанавливающим параметром. Из рис. 1 видно, что время ресурса т = £(ф) возрастает с увеличением восстанавливающих факторов.

Рис. 1. epi - предельное значение энтропийноэнергетического параметра для идеального процесса, ф2 - предельное значение энтропийноэнергетического параметра для тела с начальным дефектом структуры, ф3 - значение энтропийно-энергетического параметра для восстановительного процесса

Исследование явлений, происходящих за малый промежуток времени с большой скоростью, то есть в начале координат нашей энтропийноэнергетической зависимости, объясняет некоторые указанные выше феномены поведения металлов в экстремальных условиях.

На рис. 2 показано возникновение восстанавливающей составляющей (-1) при значении 1ф = in на комплексной оси.

Рис. 2. Схема, поясняющая возникновения восстанавливающей составляющей (-1) при значении !ф1 = in на комплексной оси

Живой организм представляет собой в высшей степени упорядоченную систему с низкой энтропией. Существование живого организма предполагает непрерывное поддержание энтропии системы на низком уровне, непрерывное противодействие разупрочняющим факторам, вызывающим заболевание. Любой живой организм -это незамкнутая система, активным образом

Щуров В.А., Марфицын В.П., = Марфицын А.В., Марфицын С.В.

Анализ экстремальных ситуаций с позиций применения энтропийно-энергетического параметра взаимодействующая с окружающей средой, непрерывно черпающая из нее негэнтропию [10].

В живой природе имеется защитный энергетический механизм, реагирующий на экстремальные нагрузки. В момент травмы в действие вступают защитные механизмы - стресс-лимитирующие системы с развитием охранительного торможения - гипобиоза. После этого происходит включение в работу одновременно большого количества резервных клеток, что сопровождается гипертрофией и гиперплазией соответствующих органов и тканей [7], Этим процессам соответствует на рис. 1 кривая Ш.

С этих позиций становится понятным механизм ускорения заживления переломов костей конечностей при сочетанной травме головного мозга, когда происходит мобилизация всех систем организма в ответ на травму, дополнительная выработка соматотропина, перераспределение необходимых для костеобразования минеральных веществ [2,7, 8].

Количественные исследования возможности и условий появления эффекта стимулирующего влияния повреждения на восстановление сократительной способности мышц, проявляющееся, например, у детей в период пубертатного ускорения роста, необходимо для практического использования этого феномена в ортопедии при оперативном удлинении отстающих в росте конечностей.

На механизме увеличения биомеханических и функциональных параметров мышц, восстанавливающихся после тренирующих воздействий субмаксимальными нагрузками в значительной мере основан процесс силовой тренировки у спортсменов, механизм закаливания при воздействии низких температур. Этот эффект повышения защитных механизмов организма путем преодоления стрессирующих воздействий называется су-перацией и осуществляется на положительном эмоциональном фоне.