В последние годы интерес к проблеме действия ускорений неуклонно возрастает, что связано с необходимостью решения проблем обеспечения безопасности полетов на самолетах и космических кораблях.

Ускорение возникает при изменении скорости или направления движения тела. Величина ускорения, измеряемая в м/с2 или кратным отношением к скорости свободно падающего в безвоздушном пространстве тела (9,81 м/с2), в значительной мере определяется действующей на тело силой и его массой и обозначается буквой g (первая буква латинского слова gravitas — тяжесть). Например, ускорение, равное 49,05 м/с2, может быть обозначено как 5g.

В биологии и медицине различают четыре основных вида ускорения:

1. Прямолинейное ускорение — возникает при увеличении или уменьшении скорости движения без изменения направления. Первый случай часто обозначают как положительное ускорение, второй — как отрицательное.

2. Радиальное и центростремительное — возникает при изменении направления движения тела, например при выполнении виражей на самолете, вращений человека на центрифуге, осуществляемых в исследовательских, тренировочных и экспертных целях. Испытать эти ускорения может каждый из вас. Достаточно пойти в городской парк культуры. В основе большинства аттракционов, начиная с детской карусели, лежит действие радиальных ускорений.

3. Угловое ускорение — возникает при неравномерном движении тела по окружности, т.е. при увеличении или уменьшении угловой скорости (измеряются в радианах в секунду). Угловое ускорение складывается из двоякого рода сил: направленной по касательной к окружности (тангенциальное ускорение) и направленной к оси вращения (нормальное ускорение).

4. Ускорение Кориолиса — возникает при изменении радиуса вращения, а также в случаях присоединения к движению в одной плоскости движения в другой плоскости. Действие углового ускорения Кориолиса прежде всего вызывает реакции вестибулярного аппарата, о чем подробно пойдет речь при разборе этих нарушений в организме, которые формируют симптомокомплекс кинетозов.

Несколько отвлекаясь от разбираемого вопроса, следует отметить, что часто, называя то или иное открытие, тот или иной закон по имени автора, мы уже не представляем себе конкретного человека, его судьбу, для нас уже не имеет значения, каких усилий стоило это открытие, закон его автору. В этом плане французский инженер и математик Г.Г. Кориолис дает нам пример поразительного человеческого и профессионального мужества. Он жил в начале прошлого столетия, страдал раком поджелудочной железы и в силу этого испытывал страшные боли (обезболивающие средства вошли в европейскую медицину значительно позднее). Во время приступов он выбегал в сад и в буквальном смысле слова катался по земле, но затем при стихании приступа возвращался домой и продолжал заниматься любимой математикой. Много ли найдется сегодня людей, способных на подобное подвижничество?

Разбирая данный раздел, мы остановимся лишь на действии прямолинейных и радиальных ускорений. Прямолинейное и радиальное ускорения в зависимости от времени их действия делятся на «ударные» (до десятых долей секунды) и «длительные» (от 1 секунды и больше).

Направление сил инерции всегда противоположно направлению ускорения. В медицине и биологии часто применяют термин «перегрузка». Перегрузки не имеют размерности и выражаются относительными единицами (ед.), показывающими, во сколько раз увеличивается вес тела при данном ускорении по сравнению с обычной земной гравитацией. В зависимости от направления действия перегрузок по отношению к вертикальной оси тела их делят на продольные и поперечные. При направлении вектора перегрузки от головы к ногам говорят о положительных, а при направлении от ног к голове — об отрицательных перегрузках. Кроме того, различают поперечные (спина — грудь и грудь — спина) и боковые (бок — бок) перегрузки.

Животные хорошо переносят воздействия ускорений небольших величин, например в диапазоне 1—1,5 g. Такие ускорения не вызывают каких-либо биологических изменений. Более же интенсивные ускорения вызывают болезненные расстройства, определяемые как «акселерационный стресс». Он характеризуется метаболическими нарушениями, субмикроскопическими изменениями в тканях. При нем имеет место активация гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси. Отмечаются практически все признаки стресс-реакции. После прекращения действия ускорения нарушения исчезают в течение 24 ч.

Величина ускорения, к которой животное может физиологически адаптироваться, имеет предел. Его величина обратно пропорциональна размеру животного.

Реакция человека на воздействия ускорений определяется рядом факторов, среди которых существенное значение имеет величина действия, скорость нарастания и направления вектора перегрузки по отношению к туловищу, а также исходное функциональное состояние организма. В организме могут возникнуть изменения от едва уловимых функциональных сдвигов до крайне тяжелых состояний, сопровождающихся резкими расстройствами деятельности органов дыхания, сердечно-сосудистой, нервной и других систем. Общее состояние человека при действии ускорений характеризуется появлением чувства тяжести во всем теле, болевых ощущений за грудиной или в области живота, вначале затруднением, а в дальнейшем полным отсутствием возможности движений, особенно конечностями.

Происходит смещение мягких тканей и ряда внутренних органов в направлении действия инерционных сил. В зависимости от плотности (удельного веса) внутренних органов, места их положения, эластичности связей с окружающими тканями характер происходящих нарушений может быть различным Понятно, что наиболее подвижной тканью в организме являются кровь и тканевая жидкость. Поэтому нарушениям гемодинамики принадлежит ведущее место в генезе физиологических сдвигов при перегрузках Определенное значение имеют также смещение внутренних органов и их деформация, обусловливающие не только изменение функций последних, но и необычную афферентную импульсацию в центральную нервную систему, приводящую к расстройству ее регулирующей и коррегирующей роли.

Центральная нервная система. При воздействии сравнительно небольших ускорений наступают выраженные функциональные сдвиги со стороны центральной нервной системы, которые характеризуются фазностью развития. Ускорения средней величины вызывают растормаживание следовых рефлексов и небольшое торможение условных рефлексов. В начале действия ускорения наблюдается повышение активности коры головного мозга.

В период последствия ускорений сначала наблюдается восстановление в коре, затем в гипоталамусе и, наконец, в ретикулярной формации.

Большинство авторов в указанных нарушениях в качестве основного механизма называют гипоксию, а также усиленную афферентацию от деформации органов и тканей.

Расстройства зрения при действии ускорений проявляются в субъективном ощущении серой (grayout), а затем и черной (blackout) пелены. Условно можно выделить три фазы в течении зрительных расстройств: затуманивание и ослабление периферического зрения, затем полное исчезновение периферического и ослабление центрального зрения и, наконец, потеря центрального зрения («черная пелена»). Появление этих нарушений зависит как от направления, так и от величины перегрузки. Они служат предвестниками обморока.

Расстройства зрения обусловлены аноксией клеток сетчатки вследствие гемодинамических нарушений. Определенный вклад вносит и корково-ретинальный механизм с усилением тормозных процессов в нейронах, снижением возбудимости нейронов коркового отдела зрительного тракта.

Сердечно-сосудистая система. Ведущим является перераспределение циркулирующей крови. Степень перераспределения и общие сдвиги гемодинамики определяются, главным образом, направлением действия ускорения. Наибольшие изменения общей гемодинамики отмечаются при продольных перегрузках. При воздействии перегрузок от головы к ногам происходит перемещение массы крови из сосудов, расположенных в верхней части тела, в сосуды брюшной полости и нижние конечности, в результате этого давление в сосудах, расположенных ниже уровня сердца, повышается, приток крови по венам к сердцу затруднен, уменьшается количество выбрасываемой сердцем крови. В результате возникает ишемия мозга и ряда органов чувств, следствием чего будет нарушение зрения (см. выше) и потеря сознания. При действии же перегрузок в направлении от ног к голове кровь скапливается в верхней части туловища и кровяное давление выше уровня сердца резко повышается.

Продольное (или вертикальное) расположение магистральных сосудов определяет то, что при поперечных перегрузках гемодинамические нарушения выражены меньше.

При поперечных перегрузках преобладают нарушения распределения крови в малом круге.

Сложные перестройки в системе гемодинамики с включением механизмов компенсации приводят к учащению сердечных сокращений. Электрокардиографические исследования демонстрируют сдвиги, обусловленные изменением положения сердца во время действия ускорений, и различные нарушения сердечного ритма, среди которых преобладают различные экстрасистолии, а также признаки коронарной недостаточности.

Система дыхания. При продольных положительных перегрузках легочная вентиляция увеличивается за счет как возрастания глубины, так и частоты дыхания. Увеличение дыхательного объема зависит от опускания диафрагмы. Возрастают потребление O2, выделение CO2, увеличивается дыхательный коэффициент. Однако при больших перегрузках в верхних долях легких прекращается кровоток, в средней части он не изменяется, а в нижних частях образуются отеки и ателектазы, что вызывает гипоксию и гипокапнию. При отрицательных продольных перегрузках из-за смещения внутренних органов дыхание затруднено.

Наиболее глубокие расстройства наблюдаются при поперечных перегрузках. Они обусловлены деформацией грудной клетки, изменением расположения в ней внутренних органов, изменением биомеханики дыхательного акта. Наблюдается учащение дыхания, удлинение фазы вдоха, снижение его глубины, снижается жизненная емкость легкого. Вентральные отделы легких достаточно вентилируются, но плохо снабжаются кровью, а дорсальные, наоборот, переполняются, но слабо вентилируются. Неравномерность вентиляции и кровообращения в легких создает условия для аргерио-венозного шунтирования, что служит одним из механизмов развития гипоксии.

Желудочно-кишечный тракт. Изменения состоят в первоначальном торможении секреции желез желудочно-кишечного тракта, которое сменяется периодом возбуждения различной продолжительности. Отмечается задержка эвакуации содержимого желудка.

Почки. Непосредственно после перегрузки наблюдается кратковременная олигурия, вслед за которой усиливается диурез, а через 1,5—2 ч все нормализуется, т.е. со стороны почек нарушения незначительны как во время перегрузок, так и после прекращения их действия. Однако при больших величинах перегрузок имеют место увеличение клубочковой фильтрации и уменьшение реабсорбции солей. Первое связано с нарушением гемодинамики, второе — с непосредственным действием перегрузок и гипоксией в почечных клетках.

Эндокринная система. Наибольшие изменения отмечены в гипоталамо-гипофизарно-адреналовой системе: первоначальная активация затем может смениться снижением активности.

Система крови. При положительных перегрузках в крови возрастает содержание ацетилхолина, адреналиноподобных веществ, гистамина, серотонина, электролитов, трансаминазы, развивается гипергликемия Активируется эритро- и гранулоцитопоэз. Объем эритроцитов увеличен, но их насыщение гемоглобином снижено Под влиянием отрицательных перегрузок повышаются антикоагулянтные свойства крови, активируется фибринолиз.

Таковы основные патофизиологические изменения в организме при действии перегрузок. Как следует из приведенных фактов, ключевыми в развитии функциональных и морфологических сдвигов со стороны различных органов и систем организма являются перераспределение крови в сосудистой системе, затруднение оттока лимфы, смещение органов и деформация тканей, нарушение дыхания и стресс-реакция, которые в конечном счете и ограничивают физиологическую переносимость ускорений.

Выделяют две фазы реакций на действие ускорений. Первая фаза характеризуется компенсаторными изменениями в организме, когда одни функции, преимущественно витальные, усиливаются, другие — временно приспособительно подавляются и третьи — в какой-то мере нарушаются. Вторая фаза — фаза декомпенсации, в которой наблюдаются угнетение и подавление жизненно важных систем организма.

Так, в первую фазу наблюдается учащение сердечных сокращений, повышение кровяного давления, увеличение минутного объема сердца и регионарного кровотока, возрастание легочной вентиляции, повышение потребления кислорода и даже возрастание напряжения кислорода в тканях мозга, усиление функции ряда эндокринных желез.

Наступление второй фазы характеризуется срывом компенсации, что проявляется относительной или абсолютной брадикардией, нарушением ритма и проводимости сердца, падением артериального давления, нарушением окислительно-восстановительных процессов в жизненно важных органах, расстройством регуляторной функции нервной и эндокринной систем.

Методы и средства повышения устойчивости организма к перегрузкам. Вопрос об изыскании средств повышения устойчивости организма к длительно действующим перегрузкам приобрел особую значимость в связи с бурным развитием авиации и космонавтики. В решении этой проблемы можно выделить следующие направления:

1. Совершенствование физических методов:

а) создание противоперегрузочных компенсирующих костюмов, которые затрудняют перераспределение крови под влиянием сил гравитации. Принцип всех разновидностей этих костюмов состоит в автоматическом повышении давления в обхватывающих область живота, бедер и голеней резиновых камерах при увеличении перегрузок;

б) создание специальных кресел, позволяющих придать оптимальную позу человеку по отношению к вектору ускорения. Оптимальным наклоном спинки кресла по отношению к вектору ускорения является угол 78—80 градусов;

в) создание индивидуальных профилированных ложементов, обеспечивающих большую площадь противодавления действующим силам;

г) использование дыхания под повышенным давлением для улучшения газообмена в легких и предотвращения развития гипоксии;

д) использование иммерсионных систем различных типов, так как установлено, что организм, помещенный в воду или другую жидкость, переносит значительно большие перегрузки, чем в норме. Теоретическое и экспериментальное обоснование этому методу было дано еще К.Э. Циолковским.

2. Физиологические методы повышения устойчивости:

а) неспецифическая физическая тренировка, направленная на совершенствование механизмов регуляции, кровообращения, дыхания, укрепление мышц брюшного пресса и ног, выработка навыков переключения дыхания с брюшного типа на грудной и наоборот, способности к длительному тоническому напряжению отдельных групп мышц;

б) тренировка в центрифуге;

в) тренировка к гипоксии;

г) тренировка к охлаждению;

д) снижение реактивности с помощью фармакологических средств. Однако многие из этих препаратов в авиации применять нельзя, т.к. они снижают работоспособность пилота (снотворные, наркотики, препараты фенитиозинового ряда), хотя их использование в космонавтике имеет смысл. Перспективно применение препаратов, влияющих на кровообращение, дыхание, антигипоксантов и т.д.

3. Комплексные методы повышения устойчивости организма, включающие как физические, так и физиологические методы в различных сочетаниях.

Особо следует упомянуть ударное ускорение. Это импульсное ускорение с длительностью воздействия не более 1 с. Основные физиологические и патологоанатомические изменения при воздействии ударных ускорений вызываются деформацией тканей и органов и смещением частей тела человека относительно друг друга.

До сих пор у нас шел разговор о длительных линейных и радиальных ускорениях. Иная картина наблюдается при действии на организм меняющихся по силе и направлению ускорениях. Патология проявляется в виде феномена укачивания, болезни движения (кинетозы).