Природа не предполагала, что человек будет пользоваться одеждой

Отвлеченное вступление

Эта статья 1969 года подвернулась под руку на отдыхе, когда ночевали у одной бабушки. Старый сервант, а в нём старые книги. Плюс стопка журналов «Наука и Жизнь». Листая перед сном, нашел эту статью: содержание показалось забавным и поучительным, всё изложенное лихо ложится на современные технологии «гортексов», «корелофтов» и всяких кулмаксовых и полипропиленовых волокон с мериносной шерстью.

Странички те перефотографировал, чтобы потом другим рассказывать.

Позже выяснилось, что автор — Александр Ефимович Берман, мастера спорта СССР и заслуженный путешественник России — корифей и классик. Сколько у него научных работ, книг и статей. Предмет знал, в северных походах, на морозе и в горах не одну жизнь прожил, если по меркам обычного человека мерить.

Кстати, упоминания про статью «Один из аспектов проблемы „Человек в условиях холода“: Одежда» легко отыскиваются в списках литературы к десятку диссертаций и сотням рефератов. Впрочем, чаще всего авторы почему-то раз за разом пишут, что материал вышел в 1966 году (видимо, навык копипаста сработал). Хотя, на самом деле то была «Наука и Жизнь» № 2 за 1969 год.

Почти полвека. Ретроспективный, так сказать, взгляд. Но, есть о чём подумать.

С одной стороны, технологии с материалами были не те. Разбирается теплообмен на моделях типа «ватник», «шуба», «шинель». Но, все это прекрасно экстраполируется на паропроницаемость современных поровых и беспоровых мембран. И когда из 1969-го года описывается некое приближение к идеальной туристской одёжке, вспоминаешь уже реально существующие модели то из Arc’teryx’а с Сиверой, а то из The North Face.

И киваешь головой, находя научное объяснение тому эмпирическому факту, что манжеты-полуперчатки, пришитые по прихоти проектировщика-теоретика к рукаву прималофтовой курточки, превращают эту курточку-утеплитель в стремительно отмокающую дрянь (потому что на ходу весь конденсат остаётся с тобой). И когда точно такая же «прималофтина», но «без перламутровых пуговиц», то есть, без тесных манжет, — роскошная вещь. Или почему те же манжеты-полуперчи являются шикарнейшим дополнением к тёплому и функциональному термобелью.

А с другой стороны, статья инженера и мастера спорта А. Бермана — это еще и эстетически ретроспективное чтение. Про те времена, когда можно было без улыбки рассуждать про «безотказную автоматику шубы» и «телесную сердцевину». И когда реакции на события, происходящие с индивидом «при охлаждении обнаженной груди», принципиально отличались от современных.

С уважением,
Алексей Соболев

ОДИН ИЗ АСПЕКТОВ ПРОБЛЕМЫ «Человек в условиях холода»: ОДЕЖДА
Инженер А. Берман, мастер спорта

Много полезной теории

Всемогущая мода, стремящаяся в первую очередь удовлетворить эстетические запросы человека, по существу, отучила нас от строгого подхода к оценке теплозащитных свойств одежды. И хотя родителям, отправляющим малышей в мороз на прогулку, подчас следовало бы задуматься над этим вопросом, в принципе для горожанина средних широт он не столь уж серьезен: сравнительно мягкие зимы и возможность проводить большую часть времени в отапливаемом помещении позволяют нам при выборе одежды полагаться на опыт и традиции поколений.

Но, когда речь заходит, например, о дальнем лыжном походе или о том, что человеку предстоит длительное время находиться и работать на открытом воздухе в сильные морозы, вопрос о выборе одежды приобретает особое значение.

Природа так «сконструировала» человека, что его внутренние органы могут жить и нормально работать лишь при достаточно высокой и притом постоянной температуре. И, чтобы обеспечить нужный температурный режим, условно говоря, «сердцевины» тела, она наделила человеческий организм способностью интенсивно вырабатывать тепло, снабдила термозащитной «оболочкой» и системой терморегулирования.

Роль «центрального отопления» в организме выполняет кровеносная система: она доставляет тепло из глубины тела к его поверхности. Причем, как только температура окружающей среды понижается, кровеносные сосуды в поверхностном слое тела сужаются, начинают пропускать меньше крови, приток тепла внутри уменьшается и температура кожи становится ниже. Этим организм экономит тепло: чем меньше разность температур поверхности кожи и окружающей среды, тем меньше и теплоотдача.

Когда же в организме образуется избыток тепла, кровеносные сосуды, наоборот, расширяются, приток теплой крови увеличивает разность температур и теплоотдача возрастает.

Подобным образом организм осуществляет терморегулирование в пределах, что называется‚ нормальных температур. Но, если возникают критические ситуации, он может на короткое время в корне изменять эту привычную схему действий.

Так, например, когда охлаждение отдельных участков кожи достигнет такой степени, что возникнет угроза обмораживания, кровеносные сосуды в этой зоне внезапно расширяются и к замерзающим тканям устремляется поток теплой крови — во имя их спасения «сердцевина» жертвует частью собственного тепла.

Казалось бы, столь гибкая система терморегулирования должна была бы обеспечить человеку возможность обходиться вообще без одежды. И она обеспечивает — в условиях тропиков. Но сформировавшийся в сравнительно мягком климате человеческий организм не в состоянии защитить себя на длительное время от холода средних, а тем более полярных широт. Здесь человеку необходима одежда. А между тем как это ни парадоксально, всецело зависящий от этой искусственной оболочки человеческий организм плохо приспособлен к ее использованию.

Всем нам хорошо известно яркое чувство холодного ветра на внезапно обнаженном теле. Этот мощный предупредительный сигнал не отвечает истинным потерям тепла и не похож на ощущения замерзшего человека: ведь процесс охлаждения только начался. В чем же причина столь бурной реакции организма? Оказывается, в самом устройстве системы терморегулирования «оболочки».

Роль датчиков в ней выполняют специальные нервные окончания — терморецепторы. Причем если эту условную «оболочку» тела, толщина которой достигает примерно 2,5 сантиметра, представить состоящей из множества слоев, то можно сказать, что терморецепторы реагируют не на температуру отдельного слоя, а на разницу температур двух соседних слоев.

Когда холодный ветер попадает на обнаженное тело, разность температур тонкого поверхностного слоя «оболочки» и еще не успевшего остыть слоя под ним в первый момент оказывается очень большой. И терморецепторы отвечают на нее мощным сигналом. По этому сигналу активно срабатывают защитные средства организма: в частности, кровеносные сосуды «оболочки» сужаются, её теплопроводность уменьшается и потери тепла оказываются сравнительно небольшими.

Одежда же, образно говоря, сбивает организм с толку, дезориентирует его. При понижении температуры в окружающей среде она медленно остывает, еще медленнее изменяется температура поверхности тела, и разность температур при таком плавном охлаждении остается настолько небольшой, что терморецепторы долго не реагируют на нее. В результате человек в теплой одежде начинает ощущать холод лишь тогда, когда его организм потеряет недопустимо большое с точки зрения нормальной деятельности количество тепла.

Теперь, чтобы восполнить столь большие потери тепла, организм должен проявить повышенную активность: например, отдыхавший на морозе человек чувствует при этом необходимость встать и походить. Человек начинает двигаться, ток крови немедленно ускоряется, и это поначалу вызывает последствия, обратные желаемым: процесс теплообразоваия только активизировался‚ а кровь уже уносит наружу значительно больше тепла, чем раньше.

В сознание человека проникает острое «чувство холода», начинается озноб, непроизвольное сокращение мышц, вырабатывающих при этом тепло. Но вот благодаря физической нагрузке процесс теплообразования становится все активнее, организм постепенно разогревается, и, лишённый чёткой ориентации, по инерции «проскакивает» точку желанного равновесия.

Начинается перегрев организма.

И здесь проявляется второе противоречие системы «человек-одежда», причина которого в несовершенстве нашей искусственной защитной оболочки.

Когда в «сердцевине» тела образуется избыток тепла, кровеносные сосуды «оболочки» расширяются и тепловой поток устремляется наружу. Здесь бы и одежде, подобно живой «оболочке» тела, изменить свою теплопроводность и пропустить избыток тепла. Но одежда мертва, она не может изменить своих теплозащитных свойств. И выделяемое организмом тепло начинает скапливаться под ней.

При этом температура у поверхности тела повышается, и, чтобы снизить её, организм вынужден активизировать второй механизм теплоотдачи — начинается интенсивное потоотделение.

Появляющаяся на поверхности тела влага испаряется, для чего каждый ее грамм требует около 600 калории тепла, и образующийся водяной пар устремляется через толщу одежды, унося с собой тепло. (см. первую схему).

Однако и этот механизм теплоотдачи вскоре отказывает. Чем ближе к внешней среде расположен слой одежды, тем ниже его температура. На какой-то границе она оказывается равной температуре «точки росы», или, иными словами, температуре, при котором водяной пар данной концентрации начинает конденсироваться.

«Натыкаясь» на эту границу, водяной пар конденсируется, а образующаяся влага пропитывает сначала внешние, а затем и остальные слои одежды.

В результате концентрация водяного пара под одеждой достигает почти предельной величины. Испарение воды почти прекращается, а температура продолжает повышаться.

Природа, видимо, «не предполагала», что человек будет пользоваться одеждой. Во всяком случае, многих животных, «одетых» в теплые шкуры, она наделила способностью избавляться от избытка тепла путем интенсивного испарения влаги с поверхности дыхательных путей и языка. Все, наверное, не раз замечали, как в жару собака высовывает язык и часто дышит. У человека же, увы, нет такого механизма теплоотдачи.

Правда, перед лицом опасности перегрева его нервная система может прибегнуть к иным мерам — затормозить процессы, в ходе которых вырабатывается тепло. Например, если человек неподвижен — скажем, часовой стоит на посту в чрезмерно теплой одежде, то у него при этом появляется чувство апатии‚ сонливость.

У людей же‚ находящихся в движении и занимающихся физическим трудом эта реакция нервной системы на перегрев проявляется в виде одышки, чувства усталости. Человек ощущает острую потребность в отдыхе, останавливается, отдыхает и, лишённый одеждой четкости восприятия, снова переохлаждается.

Итак, основные недостатки теплой одежды очевидны: с одной стороны, она дезориентирует систему терморегулирования организма при оценке потерь тепла, а с другой — лишена способности изменять свою теплопроводность в зависимости от внешних условий и деятельности человека.

Как же устранить эти недостатки?

Первый — практически невозможно: ведь мы не можем обходиться без одежды. Правда, здесь сама природа приходит нам на помощь.

Оказывается, что по сигналам, возникающим при охлаждении открытого лица или обнаженных рук, «срабатывает» целый ряд теплозащитных средств всего организма. Более того, исследованиями установлено, что реакция организма на охлаждение лица оказывается более быстрой и интенсивной, чем, например, при охлаждении обнаженной груди. Видимо, все это новые для человека рефлексы, возникшие в результате тысячелетий использования одежды. Они в какой-то мере служат человеку в условиях города. Но злоупотреблять ими нельзя.

В длительном зимнем походе с его регулярными переохлаждениями организма и ночевками вдали от постоянного жилья даже при умеренных морозах нервная система человека постепенно приходит в состояние особого напряжения, называемого «холодовой усталостью». Эта усталость проявляется прежде всего в том, что человек утрачивает способность к сложной психической деятельности и многие операции, легко выполняемые в тепле жилья, становятся ему уже недоступными.

Постоянные же сигналы, поступающие от замерзших открытого лица или рук, ещё больше увеличивают это напряжение нервной системы.

Поэтому в зимнем походе лицо и руки приходится тщательно оберегать от переохлаждения. Отсюда и необходимость самого тщательного подхода к, казалось бы, второстепенным деталям зимней одежды: частые попадания ветра за плохо прилегающий воротник, зябнущие в коротких рукавах или рукавицах запястья рук — всё это издёргивает и утомляет организм, притупляет его защитные реакции.

Самая же тяжелая нервная нагрузка в походе обычно связана с необходимостью приспосабливаться к изменяющимся условиям теплообмена путем частых переодеваний. Поэтому-то и возникает вопрос об одежде, которая была бы одинаково хороша и на отдыхе, и в пути, и во время физической работы. Иными словами, об одежде с автоматически изменяющимися теплозащитными свойствами.

Размышления об одежде

В принципе можно представить себе гипотетический костюм-автомат, подобный живой «оболочке» тела. Скажем, роль кровеносных сосудов в нем выполняли бы тонкие спирали, разогреваемые электрическим током. Величина тока и соответственно степень нагрева разных частей костюма изменялись бы по командам счетно-решающего устройства, к которому бы поступали сигналы от многочисленных термодатчиков, укрепленных как на подкладке, у тела, так и на внешней поверхности костюма. Причем внешние датчики сами должны быть с подогревом, чтобы учитывать охлаждающее влияние ветра.

Мало того, обе системы терморегулирования — естественная и искусственная должны быть строго согласованы между собой. Сама же ткань такого автоматического костюма должна быть легкой, свободно пропускающей воздух и влагу и даже... огнестойкой, чтобы порывы холодного ветра можно было нейтрализовать быстрым и мощным разогревом спиралей.

К сожалению, современная одежда с электроподогревом по своему совершенству всё ещё весьма далека от такого костюма-автомата, не говоря уже о том, что для неё не существует легких и надежных переносных источников питания. Впрочем, нужен ли вообще нам электрифицированный костюм-автомат? Живут же люди в холодном климате, и живут неплохо, и ведут далеко не праздный образ жизни, и отнюдь не в теплом жилье.

Как утверждают археологи, человек пользуется теплой одеждой еще со времени позднего палеолита, или, иными словами, уже более 10 тысяч лет. Ведь должна же была за это время появиться достаточно совершенная одежда? Так оно и есть. Примером тому — свободная шуба (или теплая куртка) длиною до колен, очень широкая у плеч, с просторными рукавами и глубокими проймами, с пришитым капюшоном, плотно прилегающим к подбородку. (на картинке Вариант А)

Автоматика такой шубы проста и безотказна. Пока человек стоит и организм вырабатывает мало тепла, она представляет собой колокол, заполненный тёплым воздухом. Этот воздух не дает холодным потокам забраться под шубу снизу, и человек пребывает в состоянии теплового комфорта. Когда же человек идёт и организм вырабатывает больше тепла, полы шубы колышутся, возникает интенсивная вентиляция, и теплоотдача резко возрастает. Наконец, если такая шуба не только просторна, но и отдельные ее части обладают определенной жёсткостью, то при движении рук, ног или наклона корпуса она сминается в грубые складки, объёмы под шубой непрестанно изменяются, и при этом возникает активная внутренняя циркуляция: нагретый тела воздух перемещается к более холодной внутренней поверхности шубы, отдаёт ей тепло и, охлаждённый, возвращается к телу.

Более того, поскольку при сминании под шубой возникают местные зоны повышенного давления, под действием последнего теплый воздух «продавливается» наружу‚ а на смену ему снизу поступает холодный. «Продавливаясь» сквозь толщу шубы, теплый воздух, с одной стороны, увлекает за собой водяной пар, а с другой — сушит саму шубу.

Из этого описания «принципа действия» шубы ясно видно, что она выгодно отличается, например, от облегающего тело мехового комбинезона или широко распространенного стеганого костюма из толстых штанов и плотно сидящей куртки — в них не может быть и речи о какой-либо вентиляции. (на картинке Вариант Б).

Подобная одежда удобна, когда нужно протиснуться в узкий люк или сидеть неподвижно в тесной кабине. Но передвигаться пешком или на лыжах, да еще с грузом за плечами, в таком одеянии неимоверно трудно.

Вероятно, на протяжении истории полярных путешествий «новинки» типа мехового комбинезона отвергались много раз и существуют по сей день лишь потому, что конструкторы этой одежды далеко не всегда пользуются ею сами.

Опыт путешествий по Крайнему Северу показывает, что одежда с приемлемой гибкостью теплозащитных свойств может состоять из теплой стеганой куртки и ветрозащитного чехла. При этом отдельные части стеганой куртки целесообразно делать разной толщины.

Например, наиболее толстыми и теплыми они должны быть от подола до пояса: здесь куртку всегда можно расстегнуть, и при ходьбе даже в теплую погоду колеблющиеся полы будут обеспечивать хорошую вентиляцию и отвод тепла. На отдыхе же или в пути по сильному морозу такая куртка позволяет обходиться наиболее удобными при ходьбе легкими брюками, которые утепляются только в области колен и голеней. Кроме того, у такой куртки толстыми и тёплыми должны быть внешние части рукавов и плечи, средней толщины — грудь, спина и внутренние части рукавов у запястий, наиболее тонкими — детали в области проймы рукавов.

Наконец, чтобы обеспечить хорошую вентиляцию, куртку целесообразно простегать большим числом швов. Через швы, где нет утепляющей набивки и есть отверстия от иглы, легче вытесняются воздух и водяной пар. А когда человек отдыхает, многочисленные швы лишь незначительно увеличивают теплоотдачу: швы — это, по существу, тонкие «линии», суммарная площадь которых невелика.

Несколько слов о ветрозащите. Ее целесообразность не ставится под сомнение, хотя ветрозащита и паропроницаемость — противоречивые требования.

Все дело в том, что ветрозащитные свойства ткани определяются тем фактом, что воздух под давлением с трудом проходит через мельчайшие норы между нитями. А водяной пар диффундирует через ткань, или, иными словами, проходит сквозь неё благодаря тепловому движению частиц. И малая величина пор ткани в меньшей степени мешает проницаемости пара, нежели воздуха.

Но вот толщина ткани уже резко уменьшает паропроницаемость.

Тем не менее очень тонкие ткани — например, капроновые или нейлоновые — для ветрозащитного чехла непригодны: они колышутся на ветру и создают под одеждой в данном случае уже вредную циркуляцию воздуха, вызывающую ощущение, что ветер проник внутрь.

Поэтому ветрозащитный чехол приходится делать из достаточно упругих и, следовательно, толстых тканей, в силу чего он в определенной мере мешает влагообмену. Однако этот недостаток можно в какой-то мере компенсировать свободным покроем чехла: если между ним и курткой останется прослойка воздуха, то пар будет превращаться в иней на внутренней поверхности чехла, а ткань куртки останется сухой.

Размышления об обуви

Не менее тщательного подхода требует и вопрос об экспедиционной обуви. Сконструировать обувь, которая бы активно вентилировалась, пока не удаётся, а между тем температурные колебания и потоотделение стопы особенно велики.

Поэтому, как бы ни была защищена обувь от влаги снаружи, она неминуемо отсыреет изнутри. О том, к чему это может привести, свидетельствует пример альпинистской экспедиции Джона Ханта, покорившей в 1953 году величайшую вершину мира — Эверест. Штурмовая двойка этой экспедиции — Тенпинг Норгей и Эдмунд Хиллари — в 300 метрах от вершины, на высоте 8500 метров, остановилась на короткий ночлег. Тенцинг отдыхал, не снимая обуви, а Хиллари разулся. И из-за этого гигантское, блестяще организованное восхождение чуть было не сорвалось: за время отдыха отсыревшие ботинки так замёрзли и окаменели, что утром, когда на счету была каждая минута, Хиллари долго не мог их надеть.

Тенцинг и Хиллари взошли на вершину Эвереста в отсыревшей обуви, несмотря на то, что она была изготовлена по специальному заказу лучшими мировыми фирмами. Но на равнине в Сибири охотники издавна неделями «мнут снег», сохраняя ноги достаточно сухими. Для этого они пользуются испытанным средством защиты обуви от влаги — бахилами.

Бахила представляет собой простой прямоугольный мешок из грубой ткани, который надевается поверх обуви и крепится ремешком таким образом, чтобы под ним оставалась толстая прослойка воздуха. Благодаря этой прослойке поверхность обуви остается теплой, водяной пар свободно проходит сквозь неё, а затем превращается в иней на достаточно холодной внутренней поверхности бахилы. Таким образом, бахила работает как конденсатор-влагосборник, который непрерывно сушит обувь.

Понятно, что всевозможные «усовершенствованные» бахилы, специально скроенные по форме сапога и потому плотно облегающие обувь, – это совершенная бессмыслица.

И, наконец, последний вопрос: как защитить от влаги зимний спальный мешок?

Человек в нем лежит неподвижно, какая-либо принудительная вентиляции отсутствует, и через десять – двенадцать ночевок на сильном морозе мешок обычно промерзает насквозь.

Поэтому лучшие образцы спальных мешков делаются двойными или, точнее, состоящими из двух мешков – тогда их можно легко разнять, выбить, отряхнуть и по отдельности быстро просушить.

Причем один из этих мешков можно сделать более толстым, а второй – потоньше. Преимущества такой конструкции станут очевидны, если представить себе, что температура по толще мешка изменяется от очень низкой снаружи до «комнатной» внутри. При этом чем сильнее мороз, тем ближе к внутренней полости располагается «точка росы» – температура, при которой водяной пар начинает конденсироваться.

Отсюда ясно, что если в сильный мороз мешок вывернуть толстым слоем наружу, то можно добиться, чтобы основная часть влаги конденсировалась вблизи разъема, а не в толще материала. И наоборот, чтобы получить такой же эффект при умеренном морозе, мешок нужно вывернуть наружу тонким слоем.

В заключение следует сказать, что, несмотря на всю многовековую историю применения теплой одежды, многие аспекты ее конструирования все еще остаются спорными. Правда, в конце прошлого (читай позапрошлого) — начале этого (читай прошлого) века полярные путешественники-лыжники накопили довольно большой опыт в этом вопросе.

В наше же время, когда экспедиции широко пользуются техническими средствами передвижения, этот опыт постепенно утрачивается. Вместе с тем сегодня все большую популярность приобретают спортивные путешествия на Крайний Север — возможно, в этом проявляется стремление человека сохранить свои индивидуальные качества вопреки техническому прогрессу. И, как бы то ни было, подобные путешествия могут оказаться не только мощным стимулом к совершенствованию зимней одежды, но и наиболее надежным способом апробации её качеств.