דינאמיקה של נפילות

מאמר זה מתאר את התהליכים המתרחשים בזמן נפילה, המאמצים והכוחות המופעלים על הנופל, על החבל, על העגינות ומכשיר החיכוך.

כמה הגדרות

נפילת הובלה

נפילה בהובלה במקרה בו המטפס נמצא מעל העגינה האחרונה שלו. הנפילה נחשבת חמורה יותר ככל שהכוח המתפתח במהלך בלימת הנפילה גדול יותר.

כוח בלימה

הכוח המקסימאלי המתפתח בזמן בלימת נפילה.

מרחק בלימה

המרחק עליו מתבצעת הבלימה. בבלימת נפילה מרחק הבלימה הוא מידת התארכות החבל בזמן בלימת הנפילה.

אלאסטיות

מתיחות, תכונתו של גוף לשנות אורך כאשר מפעילים כוח.

מודול החבל

היחס בין הכוח המופעל לבין מידת ההתארכות.

מקדם נפילה

היחס בין אורך הנפילה לבין אורך החבל המשתתף בבלימה. מקדם הנפילה משמש מדד לחומרת הנפילה. מקדם הנפילה הולך כמו כוח הבלימה.

התארכות

היחס בין האורך המקורי לאורך לאחר מתיחה.

מבוא

בזמן טיפוס מתרחשות נפילות בהם המטפס ניתק מהקיר ומערכת האבטחה (חבל, עיגון, רתמה, מאבטח...) בולמת את נפילתו. בזמן הנפילה ובזמן בלימתה מופעלים על מערכת האבטחה כוחות פיסיקליים ונספגת בה אנרגיית הנפילה.

הבנת ה"דינמיקה של הנפילה" תאפשר לנו להעריך איזו נפילה "חמורה" יותר ואיזו "חמורה" פחות, ולהיערך מראש (על ידי בחירת ציוד מתאים, מיקום נכון של העוגנים וכו') על מנת להקטין את חומרת הנפילה.

חלקי מערכת האבטחה

נתחיל את הדיון בדינמיקה של הנפילה בזיהוי חלקי מערכת האבטחה ופעולתם בזמן הנפילה. באופן סכמתי נחלק את מערכת האבטחה לארבעה חלקים עיקריים:

1. המטפס – בזמן נפילה המטפס יורד מגובה מסוים לגובה נמוך יותר ותוך כדי כך מאיץ וצובר מהירות, בזמן בלימת הנפילה מאיט המטפס עד לבלימה מלאה על ידי מערכת האבטחה. במילים אחרות האנרגיה הפוטנציאלית של המטפס הופכת לאנרגיה קינטית וזו בתורה נספגת ומפוזרת על ידי מערכת האבטחה. מאחר ואנרגיה פוטנציאלית תלויה בגובה ובמסה, ברור שאורך הנפילה ומשקלו של הנופל הם גורמים משמעותיים לחומרת הנפילה.
 באופן טבעי נשאף שהכוח המופעל על המטפס בזמן בלימת הנפילה יהיה קטן ככל האפשר. כוחות גדולים שיפעלו על המטפס עלולים לגרות לפגיעה פיזיולוגית בו, או לכשל של הציוד שעליו (רתמה).

2. נקודת העיגון – נקודה זו חשובה לענייננו מאחר שבהזנחת חיכוך וללא אבטחה דינאמית, יופעל על נקודה זו (אם מזניחים את החיכוך) כוח כפול מהכוח שיופעל על חלקי המערכת האחרים (הסבר בהמשך) ולפיכך נקודת העיגון נמצאת בסיכון גבוהה לכשל ציוד.

3. חבל – החבל הוא האלמנט במערכת שסופג את מרבית אנרגית הנפילה. מרבית האנרגיה הקינטית מומרת לחום על ידי חיכוך החבל בגורמים חיצוניים (טבעת העיגון, אמצעי האבטחה, חיכוך עם הקיר) וחיכוך פנימי בין סיבי החבל. השאר מומרת לאנרגיה אלאסטית על ידי התארכות החבל בזמן הבלימה. הדרך המדוייקת שבה נספגת האנרגיה על ידי החבל בזמן התארכותו היא מחוץ להיקף של דיון זה, ונזכיר רק שמידת האלסטיות של החבל ואורך החבל שסופג את אנרגיית הנפילה משמעותיים מאד לחומרת הנפילה:

ככל שהחבל אלסטי יותר הוא יתארך יותר בקלות, וככל שהקטע שסופג את הנפילה יהיה ארוך יותר הוא יוכל להימתח יותר, והבלימה תהיה "רכה" יותר (חישבו על נפילה על כבל פלדה לעומת חבל בנג'י).

4. נקודת האבטוח – נקודת האבטוח כוללת את אביזר החיכוך, המאבטח והציוד הנלווה. למרות שלאביזר החיכוך ולמאבטח יכולה להיות השפעה עצומה על הפחתת הכוח הפועל במערכת בזמן בלימת הנפילה, לצורך דיון זה נניח שעצירת החבל בנקודת האבטוח היא מיידית.

הכוח המופעל בזמן נפילה

בהזנחת השפעות החיכוך, הופך הכוח המופעל בזמן הנפילה לתלוי בשלושה גורמים: מקדם הנפילה, משקל המטפס וסוג החבל.

דוגמאות לעומסים הפועלים בנפילות שונות

הכוח המקסימאלי הפועל על המטפס ( Kg )	פרטי הנפילה	סוג החבל
1800~	מטפס במשקל 80 קילו, מקדם נפילה 2	סטטי
900~	מטפס במשקל 80 קילו, מקדם נפילה 2	דינמי
600~	מטפס במשקל 80 קילו, מקדם נפילה1.1	דינמי
350~	מטפס במשקל 80 קילו, מקדם נפילה0.25	דינמי

יש לשים לב לכך שמאחר ובנקודת העגינה האחרונה מופעל הכוח בשני הכיוונים, לכיוון המטפס ולכיוון המאבטח, יכול הכוח על העגינה להגיעה לעד פי שניים מהכוח המופעל על המטפס.

אורך הנפילה

בחלק הקודם ראינו שהכוח הפועל במערכת תלוי במקדם הנפילה ולא באורך הנפילה. עם זאת, אין זה נכון שנפילות בעלות אותו מקדם נפילה "חמורות" באותה מידה כאשר באחת אורך הנפילה גדול משמעותית מאשר באחרת. אם נתעלם מסכנת הפגיעה במדפים או בליטות סלע, כאשר אורך הנפילה גדול יותר האנרגיה הפוטנציאלית של המטפס, שנספגת על ידי החבל ועבודת החיכוך במערכת, גדולה יותר ככול שאורך הנפילה גדול יותר. במילים אחרות, למרות שהכוח המקסימלי תלוי במקדם הנפילה ולא באורך הנפילה. בנפילות ארוכות יופעל הכוח במשך זמן רב יותר מאשר בנפילות קצרות (או לאורך דרך ארוכה יותר).

ספיגת האנרגיה בחבל בזמן בלימת הנפילה משפיעה עליו לרעה בשתי דרכים:

התארכות החבל והפחתת היכולות הדינמיות שלו – בזמן ספיגת האנרגיה של הנפילה החבל מתארך ומאבד מהתכונות האלסטיות שלו כך שבנפילה הבאה יכולתו לספוג אנרגיה קטנה יותר. ידוע שאם נותנים לחבל "לנוח" אחרי שספג נפילה הוא "מתכווץ" חזרה (גם אם לא לגמרי) ובמידה מסוימת מחזיר לעצמו לפחות חלק מהתכונות האלסטיות שלו.
מבחינה זו משולה נפילה ארוכה למספר נפילות קצרות ללא כל מנוחה בינהן, ולכן היא "חמורה" בהרבה מנפילה קצרה באותו מקדם.

חימום – בזמן בלימת הנפילה האנרגיה הפוטנציאלית שהפכה לאנרגית הימתחות של החבל, הופכת לחום שנוצר כתוצאה מעבודת חיכוך (אחרת היינו ממשיכים להתנדנד מעלה ומטה על החבל לנצח). החום נוצר כתוצאה מחיכוך בגורמים חיצוניים כמו טבעות או הסלע, וגם כתוצאה מחיכוך בתוך החבל בין הסיבים השונים ובין הליבה למעטפת, והוא מפוזר בין חלקי המערכת ומשם אל האוויר, לחום השפעה מזיקה על החבל והוא עלול לגרום לו לדפורמציות – התכה של סיבי החבל והתקשות בצורה אחרת (לא סיבית) או אפילו בהמסה מלאה.
 כאמור, בנפילה ארוכה יותר האנרגיה הפוטנציאלית המתפזרת בחבל גדולה יותר, ולכן החום שנוצר במערכת גדול יותר. מבחינה זו נפילה ארוכה היא חמורה יותר מנפילה קצרה באותו מקדם.

השפעת התופעות שהוסברו כאן היא משמעותית ביותר, ולכן חבל שספג נפילה ארוכה צריך להיפסל גם אם המקדם אינו גבוהה במיוחד.

הכוח המופעל על המטפס בנפילה כפונקציה של הזמן בנפילה ארוכה ובנפילה קצרה:

סיכום

• מקדם הנפילה מוגדר כיחס בין אורך הנפילה לאורך החבל שסופג אותה, והוא מדד חשוב להערכת הכוח הפועל במערכת בזמן נפילה, אם כי קשה להעריך את גודל הכוח וקל יותר להשוות חומרת שתי נפילות.

• ככל שמקדם הנפילה גדול יותר הנפילה חמורה יותר.

• בהינתן שתי נפילות בעלות מקדם נפילה זהה, הנפילה הארוכה יותר, חמורה יותר.

• ככל שהחבל אלסטי יותר תיספג הנפילה טוב יותר והעומס במערכת יקטן. חובה להשתמש בחבלים דינמיים - מתיחים בטיפוס הובלה.

• המתיחות בחבל זהה בכל נקודה (אם מזניחים את החיכוך בטבעות) ולכן הכוח על העגינה האחרונה (בה הזווית בחבל היא בקרוב 0°) יכול להגיע לפעמיים מהכוח הפועל על המטפס.

• בהינתן שתי נפילות באותו אורך, זו שבה מרחק העגינה האחרונה מהמאבטח גדול יותר, תפעיל פחות עומס על המערכת.

• בהינתן שתי נפילות בהן נמתח אותו אורך חבל, זו שבה מרחק העגינה האחרונה מהמוביל גדול יותר, תפעיל יותר עומס על המערכת.

• כאשר מתחילים לטפס מהקרקע או ממדף גדול, הערך המקסימאלי של מקדם הנפילה הוא 1, ומשמעו פגיעה בקרקע.

• כאשר מתחילים לטפס מתחנה, הערך המקסימאלי של מקדם הנפילה הוא 2.

מאמרים נוספים בנושא

מקדם נפילה

כוח בלימה

כוחות בבלימת נפילה

אבטחה דינאמית

שיטות מתקדמות באבטחה דינאמית

---

תרמו לדף זה: מיכה יניב, דורון נצר, ארנון נצר ואחרים...