Текст книги "Научно-популярные статьи о бане"

Автор книги: Юрий Хошев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 3 страниц)

Как говорится в народе – баня полезна, но мухи в ней мрут. Поэтому вопросы о вреде и пользе оставим решать врачам. Мы же поговорим только о времени переносимости человеком тех или иных температур. Субъективное понятие времени переносимости не затрагивает объективных вопросов последствий воздействия (вред, недомогание, смерть), а просто указывает на то, что есть определенные условия, которые становятся невыносимыми, и человек рефлекторно, осознанно или с помощью других людей покидает помещение бани.

Сколько можно вытерпеть

Переносимость – субъективный параметр. Он может заметно отличаться у разных людей и даже у одного и того же человека в разные периоды времени. Так, например, в состязаниях по сауна-спорту один и тот же участник может в первый день просидеть в сауне, например, 15 минут, а на следующий – лишь 5 минут. И это нормально. Поэтому все последующие численные оценки надо воспринимать с должным пониманием дела как ориентировочные, то есть рассматривать скорее как иллюстрацию качественных закономерностей.

Обычно непереносимость возникает в двух вышеописанных случаях: при чрезмерно быстром темпе нагрева кожи и при чрезмерном перегреве внутренних органов человека. Под «кожей» будем понимать не конкретный анатомический кожный покров, а внешний слой тела глубиной примерно 1 см до крупных кровеносных сосудов.

Кожа способна выдержать, по крайней мере кратковременно, температуру до 45 °C, а на руках и ногах и до 55 °C без видимых последствий. Однако если скорость подъема температуры кожи велика, то именно она, скорость изменения температуры, а не сама температура вызывает болезненные ощущения. Человек рефлекторно (а также осознанно) стремится выскочить из бани, хотя кожа не прогрелась даже до 40 °C. Такие ощущения возникают при сильных поддачах в бане или при быстрых погружениях в горячую воду. При подсчете темпа повышения температуры кожи приходится решать задачу по типу классической школьной задачи с бассейном, в который втекает и вытекает вода по трубам. По одним «трубам» в кожу «втекает» тепло, по другим – «вытекает» дисбаланс тепловых потоков и покажет, нагревается или охлаждается кожа человека, до какой температуры и с какой скоростью.

Переходя к численным оценкам, нужно прежде всего определить, в каких условиях кожа может быстро нагреваться. Это происходит тогда, когда тепловые потоки на кожу настолько велики, что тепло «не успевает» уходить внутрь тела. Если тело и кожа не прогреты и сосуды прикожного слоя еще не расширились, то тепло с кожи уходит в тело только за счет теплопроводности прикожного слоя. В этом случае величины тепловых потоков подсчитываются легко (исходя из коэффициента теплопроводности дермы 5x10⁴ кВт/м град, перепада температуры на дерме 4 °C и характерной глубине расположения крупных кровеносных сосудов 0,01 м) и равны ориентировочно 0,2 кВт/м² и выше.

При тепловых же потоках менее 0,2 кВт/м² температура кожи не может «оторваться» от температуры тела даже в отсутствии потовыделения и без повышенной микроциркуляции крови в коже, поскольку поступающее на кожу тепло «успевает» уйти внутрь тела механизмами обычной теплопроводности. Величину 0,2 кВт/м² назовем уровнем привыкания. Эта величина имеет смысл не только для бань, но и для холодных бассейнов, горячих ванн, холодных и горячих душей, ИК-саун и любых других объектов, имеющих дело с нагревом или охлаждением тела человека. Таким образом, явление привыкания можно трактовать следующим образом. Терморецепторы в коже реагируют не на температуру кожи, а на перепад температуры на коже. Терморецепторы сравнивают температуру на поверхности кожи с температурой тела, которая является изотермической из-за быстрой оборачиваемости крови. Терморецепторы в коже принадлежат соматической нервной системе, управляющей мышцами. Поэтому при перепаде температур они в первую очередь дают сигнал на оборонительные действия мышцам, а также в центральную нервную систему для формирования эмоциональных реакций боли и страха.

Если же тепловой поток на кожу мал (менее 0,2 кВт/м²), то мал и темп нагрева кожи и перепад температуры на коже (менее 4 °C). Отрицательных оборонительных эмоций при этом не возникает, и человек пребывает в состоянии комфорта. По мере прогрева тело «привыкает» ко все большим температурам. Отметим, что явление закаленности организма связано с быстрой реакцией не соматической, а вегетативной нервной системы, отвечающей за сосудорасширение и потовыделение. Ясно, что при увеличенной микроциркуляции крови в кожном покрове тепло через кожу проходит быстрее и перепады температуры на разгоряченной коже не столь уж велики, как на неразгоряченной. Поэтому человек с раскрасневшейся кожей легко переносит и морозный воздух, и ледяную воду, и повышенный жар.

На рис. 1 представлена кривая 1 переносимости кожей тепловых потоков, построенная по результатам измерений в сталелитейных производствах (Глушко Л. А. Защита от перегревов в горячих цехах. М., Металлургиздат, 1963). Из кривой 1 видно, что при введенном нами уровне привыкания q привыкания = 0,2 кВт/м² переносимость на самом деле очень высока. Затем по мере увеличения теплового потока она неуклонно снижается до минут, а потом и до секунд (см. кривую 1 на рис. 2). Естественно, баня с временем пребывания в несколько секунд не может эксплуатироваться даже как экстремальная баня, для банного процесса необходима хотя бы минута. В то же время величины тепловых потоков инфракрасного излучения, достигаемые в горячих металлургических и кузнечных цехах (до 14 кВт/м²), могут иногда создаваться и в банях с металлическими неэкранированными печами. Это настолько большие тепловые потоки, что они способны воспламенять древесину на расстояниях до 6 метров от печи (НПБ 105-95). Поэтому в саунах так важна экранировка печей, а в цехах – использование спецодежды противопожарного типа.

Обсуждаемая непереносимость тепла кожей не связана с перегревом тела, температура тела подняться за несколько секунд до опасных значений не может. Доказательством того, что именно темп нагрева (а не степень нагрева) вызывает непереносимость, является экспериментально установленный факт того, что переносимость может уменьшаться с уменьшением количества теплоты, передаваемого коже за время переносимости (см. кривую 2 на рис. 2). Кроме того, необходимо отметить, что под переносимостью может пониматься нестерпимость ощущений даже на одном каком-либо участке кожи, например на лице. Этого бывает уже вполне достаточно, чтобы спуститься с верхнего полка или даже выйти из парилки.

Перегрев внутренних органов тела также приводит к непереносимости, но уже не за счет жжения и пощипывания кожи, а ввиду ухудшения общего самочувствия человека (повышения артериального давления, частоты пульса, стука в висках, головокружений, слабости и т. п.). Зная массу тела среднестатистического человека и его теплоемкость, легко подсчитать максимальное для тренированного человека время переносимости тепловых потоков как продолжительность нагрева его внутренних органов до 41 °C (см. кривую 2 на рис. 1). Видно, что время переносимости телом может быть намного больше времени переносимости кожей (в десять раз при тепловом потоке 3 кВт/м²). Со снижением тепловой нагрузки время переносимости телом быстро увеличивается. В интервале умеренных режимов 0,2–1,0 кВт/м² переносимость телом только примерно в два раза выше переносимости кожей, а при режимах ниже уровня привыкания переносимости кожей и телом практически сравниваются (точнее, термины переносимости кожей и телом приобретают одинаковый смысл, поскольку температура кожи при этом близка к температуре внутренних органов).

Указанное время переносимости весьма ориентировочно, но ввиду сильной зависимости переносимости от тепловой нагрузки можно сделать однозначный вывод, что комфортные банные режимы, отвечающие понятию «легкий пар», соответствуют уровням суммарной тепловой нагрузки на кожу где-то в пределах 0,2–1,0 кВт/м². В то же время при этих тепловых нагрузках разница между переносимостью кожей и телом становится уже сравнимой с ошибками оценок переносимости. Впрочем, в бытовых банях отличие между переносимостью кожей и телом не должно быть большим (в отличие, может быть, от экстремальных развлекательных бань). Поэтому в дальнейшем за уровень переносимости примем переносимость кожей с учетом возможного двукратного физиологического запаса по телу. Определившись с величиной искомой тепловой нагрузки на кожу, мы должны теперь вычислить отвечающие этим тепловым нагрузкам климатические (метеорологические) условия, поскольку в банях тепловые потоки никто никогда не мерил и измерять не собирается.

Часть 2

Влажная баня

Прежде всего рассмотрим простейший банный режим – хомотермальный, отвечающий отсутствию процессов испарения влаги с кожи человека и процессов конденсации паров воды из воздуха на кожу человека (см.: БАНБАС № 5 (23), 2002, с. 46). При хомотермальном режиме человеку не становится ни теплей, ни холодней при смачивании кожи водой (в том числе и при выделении пота) даже при наличии потоков воздуха.

Хомотермальная кривая рассчитывалась нами ранее для температуры прогретой кожи, равной 40 °C (для точки росы воздуха 40 °C и абсолютной влажности воздуха 0,05 кг/м³ соответственно). При входе в баню (парилку) в первый раз человек имеет температуру кожи 36–37 °C и даже ниже (так, например, нормальная температура носа составляет 25 °C). Поэтому для впервые входящего в баню человека определенный нами ранее хомотермальный режим ощущается (прежде всего лицом и носоглоткой) в первые мгновения как паровой конденсационный. Поскольку для эмоциональных людей глубоко субъективное понятие «легкий пар» ассоциируется в первую очередь с ощущениями приятного жара в носоглотке при первых вздохах. Любознательный читатель при анализе первых ощущений в бане должен исходить из хомотермальной кривой для точки росы 37 °C и абсолютной влажности воздуха 0,04 кг/м³ соответственно.

Вместе с тем ни кожа, ни носоглотка, ни расположенные в ней терморецепторы нервной системы ни глаз, ни газоанализаторов не имеют. Кожа (по крайней мере, мокрая) не чувствует, как поступает на нее тепло: из влажного ли воздуха или сухого, с конденсацией ли пара или с испарением пота. А вот человеку как живому существу небезразлично, как поступает на него тепло, потому что с теплом, исходящим из воздуха с абсолютной влажностью ниже 0,05 кг/м³, он может справиться с помощью потоотделения, а с теплом из воздуха с абсолютной влажностью выше 0,05 кг/м³ справиться не в состоянии.

Именно из этого факта мы исходили, вводя в теорию бань термин «хомотермальная кривая». Сейчас мы сделаем следующий важный шаг: впервые введем четкие объективные разграничения понятий сухой, влажной и паровой бань, исходя из хомотермальной кривой (рис. 3). Бани с климатическими режимами выше хомотермальной кривой назовем паровыми (поскольку в них происходит конденсация пара на кожу из воздуха), бани с климатическими режимами ниже хомотермальной кривой – сухими (поскольку в них пот тотчас испаряется и кожа остается сухой), а бани с климатическими режимами вблизи хомотермальной кривой – влажными (поскольку выделяющийся на коже пот не испаряется).

Ранее (БАНБАС № 5 (23), 2002, с. 46) мы называли баню сухой, если воздух в бане по гигрометру сухой, то есть если гигрометр на стене показывает относительную влажность воздуха менее 30–40 %. При этом было трудно объяснить, почему в такой «сухой» бане используемой в сауна-спорте, пот «течет ручьем». Для сохранения традиций такую баню с сухим по гигрометру воздухом будем называть воздушно-сухой. Вводимые названия бань уточняют, что в воздушно-сухой бане сохнут полки, а в сухой бане сохнет увлажненная кожа, причем если сохнут полки, то вовсе не обязательно сохнет кожа. Таким образом, по новой терминологии воздушносухая высокотемпературная сауна может быть и сухой, и влажной, и паровой, что снимает все терминологические трудности. Забегая вперед, укажем, что тип сауны определить очень легко: достаточно махнуть рукой на мокрое лицо.

Если станет прохладнее – то это сухая сауна. Если почувствуете резкий жар с выделением пота (конденсата) – то это паровая сауна. Если станет только чуть-чуть теплее – то это влажная баня.

На рис. 4 представлена хомотермальная кривая 1, построенная в координатах – температура – абсолютная влажность воздуха. Она представляет собой горизонтальную прямую, отвечающую при всех температурах воздуха одной и той же абсолютной влажности воздуха 0,05 кг/м⁵ (точке росы 40 °C). Режимы вблизи этой горизонтальной прямой отвечают влажной бане. Тепловые нагрузки во влажной бане рассчитываются исходя из коэффициента теплопередачи от воздуха в тело человека 0,01 кВт/м² град. То есть каждый градус разницы температур кожи и воздуха дает тепловой поток 10 Вт в расчете на все тело человека (при эффективной площади кожи примерно 1 м²), причем численная величина теплового потока не зависит от того, нагревается или охлаждается тело человека. Так, например, человек, выделяющий внутри себя в состоянии полного покоя 50–70 Вт тепла постоянно (70 % за счет работы внутренних органов: сердца, легких, печени, 30 % за счет неощущаемой дрожи мышц), может спать нагишом, не замерзая, при температурах воздуха на 5–7 градусов ниже температуры кожи, а с зябкостью (то есть при легком ознобе) – при еще более низких температурах.

На рис. 5 представлены зависимости тепловых нагрузок на человека от температуры воздуха во влажной бане в состоянии покоя (кривая 1), при легкой физической работе (кривая 2) и при тяжелой физической работе (кривая 3) по ГОСТ 12.1.005-76, а также переносимости этих тепловых нагрузок. Видно, что хомотермальные режимы при низких температурах – 40–50 °C (соответствующие режимам турецких бань), хоть и вызывают неуклонное повышение температуры тела, но тем не менее легко переносимы человеком в течение многих часов. Физическая работа, разогревая человека, может снизить переносимость температуры 40 °C до уровня 20 минут, что, видимо, и использовалось в римских термах при физических упражнениях. При высоких же температурах бань – порядка 100 °C – переносимость хомотермального режима даже без физической работы не превышает 10–20 минут.

Наличие во влажной бане потоков воздуха существенно увеличивает теплопередачу от воздуха на кожу. Так, пользуясь эмпирическими соотношениями для бассейнов (см.: БАНБАС № 5 (23), 2002, с. 96), можно установить, что вне зависимости от того, мокрая ли у человека кожа или сухая, линейные скорости конвективных потоков 1 м/сек приводят к снижению переносимости вдвое (кривая 4).

Сухая баня

Анализ сухой бани намного сложнее, поскольку необходимо учитывать процессы испарения, в том числе в условиях их активизации конвективными потоками.

Кожа человека в сухом состоянии воспринимает и сухую, и влажную баню абсолютно одинаково, поскольку с кожи человека испаряться нечему, а значит, кожа и не охлаждается. Тепловой поток в сухой бане от горячего воздуха к сухой коже (кривая 1 на рис. 6) сохраняется таким же, что и во влажной бане (кривая 1 рис. 5). При этом человеку с сухой кожей тепло при всех температурах выше 40 °C.

Если же кожа человека мокрая (потная или искусственно смоченная), то возникают теплопотери с кожи человека за счет испарения влаги. Величина этих теплопотерь увеличивается пропорционально степени удаления режима от хомотермальной кривой и при абсолютной влажности воздуха 0,015 кг/м³ составляет 0,6 кВт/м² вне зависимости от температуры воздуха (кривая 2 на рис. 6). Складывая кривые 1 и 2, получаем результирующий тепловой поток (кривая 3), приобретающий положительное значение лишь при температурах выше 95 °C. Таким образом, при абсолютной влажности воздуха 0,015 кг/м³, при температурах ниже 95 °C человеку с мокрой кожей холодно, а выше 95 °C – тепло. К аналогичному заключению можно прийти, построив на рис. 4 кривую 3, соответствующую режимам с температурой по влажному термометру 40 °C. Кривая 3 на рис. 4 отделяет холодные и теплые режимы сухой бани в случае, если кожа человека мокрая.

В сухих банях наличие потоков воздуха приводит одновременно к двум противоположным по результатам процессам. С одной стороны, как и в случае влажных бань, увеличивается теплопередача от горячего воздуха на кожу: появляется конвективный тепловой поток на кожу, величина которого соответствует кривой 4 на рис. 6 для скорости воздуха у кожи 0,15 м/сек. С другой стороны, интенсифицируется процесс испарения влаги с кожи человека, за счет чего появляются дополнительные охлаждающие кожу теплотраты, величина которых иллюстрируется кривой 5 на рис. 6 для той же скорости воздуха 0,15 м/сек. Для сухой кожи теплозатраты на испарение отсутствуют.

Дальнейший анализ приводит к следующим важным выводам. Во-первых, сопоставляя величины конвективного нагрева и теплозатрат на испарение, можно разделить область сухих бань на две зоны, разделенные кривой 6 на рис. 4. В зоне выше кривой 6 воздушные потоки разогревают мокрое тело, а в зоне ниже кривой 6 – охлаждают. Сухое же тело под действием воздушных потоков с температурой выше 40 °C нагревается всегда. Кривая 6 рассчитана нами по формулам для теплопотоков в бассейнах (БАНБАС № 5 (23), 2002, с. 96) и не зависит от скорости перемещения воздуха, то есть является универсальной. При климатических условиях, соответствующих кривой 6, кожа не нагревается и не охлаждается под действием возникающих потоков воздуха любой скорости. По конвективному воздействию режимы выше кривой 6 можно отнести к влажной бане.

Во-вторых, суммируя тепловые потоки 1,2,4 и 5 на рис. 6, получим результирующий тепловой поток на кожу человека, который во всем интервале температур оказывается отрицательным (кривая 6). Это означает, что при абсолютной влажности воздуха 0,015 кг/м³ и скоростях перемещений воздуха 0,15 м/сек мокрая кожа не нагревается, а охлаждается даже при температуре воздуха 100 °C. Этот результат находится в вопиющем противоречии с экспериментальными данными (рис. 7) по замеру динамики нагрева температуры тела человека в сухой бане в вышеупомянутых условиях – в точке 5 на рис. 4, соответствующей температуре 100 °C, абсолютной влажности 0,05 кг/м³ (относительной влажности 2 %), и скорости перемещения воздуха около тела человека 0,1–0,2 м/сек (Соснин Ю. П., Бухаркин Е. Н. Отопление и горячее водоснабжение индивидуального дома, М., Стройиздат, 1991). Интерпретация этих измерений может быть разной, но ясно одно, что в условиях потоотделения (а оно однозначно наступило на 5–7 минуте пребывания) тело человека отнюдь не стало охлаждаться. Тепловой поток на человека (рассчитанный по темпу нагрева тела) составил примерно 0,3–0,4 кВт/м², что и привело к времени переносимости около 35 минут. Единственным объяснением факта нагрева тела может быть только сильное влияние инфракрасного излучения потолка, стен и печи на тепловой баланс человека в сауне. Действительно, мощность излучения абсолютно черного тела при температуре 100 °C составляет 1 кВт/м². С учетом углового распределения потоков инфракрасного излучения и реальных степеней черноты стен и потолка это и составит замеренную величину тепловой нагрузки.

Таким образом, для человека с мокрой кожей очень сухая высокотемпературная сауна при наличии потоков воздуха представляет собой инфракрасную сауну. При этом потоки инфракрасного излучения (кривая 7 на рис. 6) становятся заметными в тепловом балансе при температурах потолка выше 80 °C. Получается так, что в сверхсухой сауне высокие температуры воздуха не достаточны для мокрого тела, так как все тепло от нагрева тела этим воздухом уходит на испарение пота. Нужны не только высокие температуры воздуха, но и высокие температуры и высокие степени черноты потолка.

Таким образом, даже беглый анализ сухих бань показывает, насколько велики их технические возможности. В то же время производители бань увлечены в основном лишь «мебельными вопросами», да и то лишь в плане качества деревообработки. Современная сухая сауна, безусловно, должна иметь весь набор инструментов по активному воздействию на тело человека, включая быстрые контрастные изменения не только температурно-влажностного режима, но и конвективных и лучистых потоков, а также, безусловно, по воздействию водой в компактном и распыленном состояниях. Возможности таких метеомассажных сухих бань может начать изучать каждый: достаточно установить у потолка сауны вентилятор и направить на себя горячий воздушный поток. Окажется, что вопреки многим предостережениям никаких серьезных моментальных ожогов вы не получите, но более того, если тело мокрое, то вы станете мерзнуть! Картина может быть такова: мокрое лицо испытывает прохладу от вентилятора, затем высохшее лицо начинает нагреваться, потом выступающий пот приносит облегчение щекам, но уши, глазницы и особенно губы продолжают нагреваться (так как потовых желез там мало). Спрыскивание лица водой моментально приводит к охлаждению, но отнюдь не за счет температуры воды, а за счет ее испарения. Комплекс контрастных ощущений станет намного богаче, если вы расположитесь вблизи металлической печи с мощным инфракрасным излучением.

Паровая баня

Область паровых бань находится выше хомотермальной кривой 1 на рис. 4. Паровые бани являются настолько интересным и сложным объектом (особенно с учетом потоков воздуха, например, от веников), что требуют отдельного детального анализа. Здесь же мы ограничимся разделением паровой бани по крайней мере на три характерные климатические зоны. Первая зона отвечает мягким паровым условиям с тепловыми потоками не более 0,5–0,6 кВт/м² и временем переносимости не менее 10–20 минут. Эта зона соответствует небольшим превышениям абсолютной влажности воздуха над хомотермальным уровнем 0,05 кг/м³, создает ощущение «легкого пара» в носоглотке при вздохе и ограничена сверху кривыми 2 и 4 (рис. 4).

Кривая 2 на рис. 4 представляет собой зависимость плотности насыщенного пара от температуры. Выше этой кривой влажный воздух может существовать только в виде тумана («клубов пара»). При. сильных поддачах на холодные камни при низких температурах в бане мы попадаем именно в эту неблагоприятную для мытных бань зону (хотя и очень интересную для развлекательных бань).

Кривая 4 весьма условна, она разграничивает мягкие и экстремальные режимы паровой бани. Обычно режимы выше кривой 4 реализуются у потолка бани и служат областью, откуда веник захватывает пар, направляемый затем на тело при парении. На рис. 4 кривая 4 построена для тепловой нагрузки 0,6 кВт/м², соответствующей температуре по влажному термометру 50 °C, а также соответствующей тепловой нагрузке при хомотермальном режиме при 100 °C. Режимы выше кривой 4 отвечают времени переносимости менее 10 минут. Инфракрасное излучение в обычных русских паровых банях заметного влияния на кожу не оказывает ввиду малости уровней интенсивности при низких температурах потолков паровой бани, но в паровых саунах может быть заметным, особенно между поддачами.

В паровых банях и саунах при поддачах могут легко достигаться очень большие мощности тепловых потоков конденсационной природы с временем переносимости на уровне секунд и менее, особенно при неудачно спроектированных закрытых каменках. Практический интерес эти режимы могут представлять лишь при крайне кратковременных благоразумных воздействиях, например, при легких однократных поддачах в циркуляционных саунах или при парении веником в паровой бане. Именно в паровых банях человеку могут оказаться полезными и шапочки на голове, и простыни на теле, и рукавицы для защиты от конденсата. Во влажных же, а тем более сухих банях опасности ожогов воздухом вообще не существует. Более того, если после душа у вас мокрые кожа и волосы, то, несмотря на высокую температуру, сухая сауна может показаться вам недостаточно прогретой, и вам придется вытереться, чтобы согреться. Рекомендации входить в сауну сухим возникли вовсе не из-за опасности ожогов, а для предотвращения излишних увлажнений воздуха, особенно при большом количестве людей в маленькой сауне.