УДК 622
Литвиненко И. Г.
магистрант 2 курса
«Крымский инженерно-педагогический
университет имени Февзи Якубова»
г. Симферополь, РФ
АНАЛИЗ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ МНОГОФАКТОРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ КОЖНОГО ПОКРОВА ЧЕЛОВЕКА ОТ УСЛОВИЙ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
Аннотация
В статье представлены результаты многофакторного дробного эксперимента по определению зависимости сопротивления кожного покрова человека от условий поражения электрическим током их анализ и оценка.
Ключевые слова:
Модель, многофакторный эксперимент, фактор, сопротивление тела человека
В работе [1] нами была предложена модель многофакторного дробного эксперимента, при условиях действия на человека постоянного тока, которая, посредством эксперимента, позволила бы произвести большое количество комбинаций происшествий при которых на тело человека воздействует электрический ток. Данная модель подразумевает проведение эксперимента с учетом таких параметров как напряжение (Х1), расстояние между электродами (Х2), искусственно наносимые на ладони рук покрытия (Х3), физико-биологические свойства субъектов (Х4), силовая нагрузка контакта ладони с электродами (Х5), наличие мелкодисперсных покрытий на ладони (Х6).
С целью реализации эксперимента, в работе [2] нами была разработано устройство для определения сопротивления тела человека.
С помощью разработанной модели и устройства по определению сопротивления тела человека, нами был произведен эксперимент по определению зависимости сопротивления кожного покрова человека от условий поражения электрическим током.
В таблице 1 представлены результаты эксперимента: кодированные значения факторов и параметр УкОм — средний показатель сопротивления тела человека, вариации которого не превышают 5%. Средний показатель параметра УкОм определялся повторением опытов до тех пор, пока показатель УкОм трех последовательных измерений не отвечал 5% показателю вариации.
Таблица 1 – Кодированные значения факторов и средний показатель сопротивления тела человека
|
№/№ |
Факторы |
Показатель |
|||||
|
X1 |
X2 |
X3 |
X4 |
X5 |
X6 |
УкОм, кОм |
|
|
1 |
+1 |
+1 |
+1 |
+1 |
+1 |
+1 |
13,0 |
|
2 |
0 |
+1 |
0 |
+1 |
-1 |
-1 |
37,5 |
|
3 |
0 |
-0,1 |
+1 |
+1 |
0 |
-1 |
46,4 |
|
4 |
+1 |
-0,1 |
-1 |
+1 |
0 |
0 |
20,0 |
|
5 |
-1 |
-0,7 |
+1 |
-1 |
+1 |
0 |
83,0 |
|
6 |
0 |
-0,7 |
-1 |
-1 |
+1 |
+1 |
27,2 |
|
7 |
+1 |
+0,1 |
0 |
-1 |
-1 |
0 |
81,0 |
|
8 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
96,0 |
|
9 |
0 |
+0,1 |
0 |
-1 |
-1 |
+ |
60,0 |
|
10 |
+1 |
-0,6 |
+1 |
0 |
0 |
-1 |
46,0 |
|
11 |
-1 |
0 |
+1 |
0 |
+1 |
-1 |
20,0 |
|
12 |
-1 |
0 |
-1 |
0 |
+1 |
+1 |
17,0 |
|
13 |
-1 |
+1 |
-1 |
+1 |
0 |
0 |
14,8 |
|
14 |
+1 |
-0,6 |
0 |
0 |
-1 |
+1 |
110,0 |
|
15 |
-1 |
-1 |
-1 |
-1 |
-1 |
-1 |
92,0 |
Обработка результатов эксперимента производилась с использованием персонального компьютера и программы «Statqrafxpi». Учитывая, что исследованию подвергается многофакторное пространство, из системы основных программ выбрана «Regression analysis», и далее в программе регрессионного анализа подпрограмма «Multiple Regression» .
Результаты компьютерной обработки значений коэффициентов при факторах в уравнении, описывающем изменение сопротивления тела человека, представлены на рисунке 1.
Рисунок 1. Результаты компьютерной обработки значений коэффициентов при факторах в уравнении, описывающем изменение сопротивления тела человека
Сходимость экспериментальных и теоретических данных с числовым указанием значений расхождений и ошибок представлена на рисунке 2.
Рисунок 2. Сходимость экспериментальных и теоретических данных с числовым указанием значений расхождений и ошибок
Регрессионное уравнение, в математическом представлении, с ранжированием факторов по значимости на параметр «сопротивление» будет выглядеть следующим образом:
УкОм = 49,75 – 41,44 Х5 – 29,37Х2+ 23,11Х3 + 22,52Х6 –15,77Х1 (1)
Анализ уравнения показывает, что фактор Х4 (физико-биологические свойства субъектов), в наших экспериментах оказался незначительным. Включая в опыты фактор Х4, нами предполагалось выявить особенности влияния роли секреции и «внутреннего» состояния исследуемых субъектов, однако влияние их оказалось незначительным на параметр УкОм. Вероятной причиной такого исхода может являться специальная скоротечная подготовка поверхностей ладоней для контакта с электродами (обработка спиртом с целью очистки кожи от жировых, грязевых и других пленок) или отсутствие психологических факторов, вызывающих соответствующую реакцию человека на прохождение через него электрического тока (использование постоянного напряжения при действии микротоков (до 0,6 mА)) или наоборот, это влияние предварительно проведенной разъяснительной работы о безопасности применяемых в эксперименте токовых нагрузок.
Особо отметим, что в отсутствии фактора Х4 в уравнении регрессии есть положительная сторона – благодаря этому роли оставшихся факторов перераспределились, значимость некоторых существенно изменилась, а может быть и возросла.
Так, наиболее значимым фактором в уравнении (1) является фактор Х5 (силовая нагрузка контакта ладони с электродом). Изменение нагрузки со значения 3 Н до 23 Н уменьшает сопротивление тела человека на 82,88 кОм, что в сравнении с постоянным коэффициентом регрессионного уравнения УкОм составляет 166,6 %.
Исходя из этого, можно сделать следующие предположения:
- толщина кожного покрова в зоне контакта с электродами, в зависимости от силы действующей нагрузки на ладонь, влияет на сопротивление тела человека;
- увеличение площади контакта с электродами, за счет смятия «рисунка» кожного покрова, влияет на сопротивление тела человека;
- уменьшение токоизолирующей пленки между электродом и токопроводящими нервными точками влияет на сопротивление тела человека.
Глубокое исследование в данном направлении позволит разработать мероприятия по управлению, а также возможному регулированию сопротивления тела человека электрическому току, что непременно приведет к обеспечению безопасных условий труда, сохранению жизни и здоровья человека.
Вторым по значимости фактором является Х2 (расстояние между электродами), с эффектом изменения УкОм – 118%. Из уравнения следует, что при изменении расстояния между электродами, замыкаемыми человеком, сопротивление меняется, причем, чем меньше расстояние, тем больше значение сопротивления. С точки зрения физики это требует, по меньшей мере, поиска объяснения. Анализ электрических цепей с подобным эффектом показал, что это возможно, если применить проводники из одного материала, но различных сечений (сопротивление падает если вместо, например, сечения проводника 0,1 мм2 применить сечение 1 мм2 при равных длинах проводника).
Если считать, что в нашем эксперименте токопроводящий слой – кожный покров человека, то поверхность руки, существенно меньше поверхности туловища, в том числе и ноги. Отсюда, результат измерений при Х2= + 1 («рука – туловище – нога» (путь тока равен 2100 мм)) сопротивление может иметь значение меньше, чем Х2 = -1 («рука – торс – рука»). Исходя из этого, можно считать, что не столько длина проводника между электродами важна в процессе формирования сопротивления тела человека электрическому току, сколько площадь кожного покрова– проводника тока.
Если принять нашу гипотезу о существовании поверхностной проводимости тока кожей человека, то значение исследования роли кожного покрова человека для борьбы с электрическим током существенно возрастает.
Третьим по значимости фактором в уравнении УкОм является фактор Х3 (роль искусственных пленок на ладони субъекта исследований). Эффективность его влияния на УкОм составляет 93%, причем примечательно, что отсутствие искусственных пленок (сухие ладони, обработанные спиртом) увеличивает сопротивление тела человека на 23,11 кОм, а очищенная вода, которой смачиваются ладони, снижает сопротивление току на 23,11 кОм. Очевидно наличие определенных возможностей кожи человека противостоять электрическому току.
Аналогично фактору Х3 влияет на УкОм фактор Х6 (наличие мелкодисперсных покрытий на поверхности кожи участка, контактирующего с электродом) с эффектом изменения параметра «сопротивление» на 90%. Известно, что органическое мелкодисперсное покрытие снижает сопротивление тела человека, а неорганическое подобное покрытие увеличивает сопротивление тела человека. Из уравнения (1) следует, что на сухой обезвоженной ладони органическое мелкодисперсное покрытие нивелирует сопротивление кожи, а неорганическое мелкодисперсное покрытие увеличивает сопротивление току УкОм на 45,6 кОм. Это свидетельствует о наличии такого свойства материалов мелкодисперсного покрытия.
Так, например, органический материал в виде тонких пленок хорошо проводит электричество, а структура неорганического материала не изменяется и остается диэлектриком под действием тока.
Последним фактором, с эффектом влияния на показатель УкОм более 60% является Х1 (изменение напряжения между электродами при прохождении тока через тело человека). С позиции активности фактора Х1 на изменение сопротивления УкОм он уступает всем рассмотренным выше факторам, однако в исследованиях свойств человеческого феномена в противоборстве с электрическим током и напряжением он может быть одним из главных. Из уравнения регрессии следует, что с ростом напряжения (даже для постоянного тока) сопротивление тела человека не остается постоянным, причем изменяя значение напряжения с 4В до 8В, способность тела человека сопротивляться постоянному току снизилась более чем на 30 кОм.
Контрольные эксперименты в произвольно выбранных точках плана эксперимента, подтвердили правильность определенных нами факторов, их взаимное влияние на параметр и изменение показателя сопротивления тела человека в зависимости от напряжения на электродах, силы контакта ладони с электродом, пути прохождения тока и наличия искусственных пленок на поверхности кожного покрова.
Таким образом, априорные исследования действия электрического тока на организм человека не представляли возможности определить значения защитных покрытий тела человека в данном процессе. В то же время, принимая во внимание особенности строения живой клетки, состав жидких составляющих в теле человека, не было объяснений достаточно высокого сопротивления электрическому току организма человека, например, принятое для расчетов 1000 Ом.
Возникшие гипотезы о роли кожного покрова, его свойств и характеристик при контакте с электрическими проводниками требовали экспериментальной проверки и теоретического описания. Реализация плана многофакторного эксперимента (многофакторной модели) с применением устройства одновременного измерения напряжения и силы постоянного тока, проходящего через тело человека, позволили частично ответить на некоторые вопросы взаимодействия тела человека с электрическим током и напряжением, одновременно обозначив проблемы и задачи защиты субъекта от поражения током.
Так, получены результаты, однозначно указывающие на изменение сопротивления тела человека при изменении силы контакта тела человека с электродом (проводником тока). Определены фактические данные о том, что при изменении расстояния между электродами, замыкаемыми человеком, сопротивление меняется, причем, чем меньше расстояние, тем больше значение сопротивления тела человека. Также, нами был выявлен эффект изменения сопротивления тела человека действию тока при различных значениях напряжения в точках контакта тела с электродом.
Таким образом, полученные результаты послужат основой для создания технологий и техники безопасности труда человека, выполняющего работы с применением электрифицированного оборудования. Человек, создавший современный мир, не может оставаться беззащитным перед созданным им же электричеством. Разобравшись в механизме взаимодействия каждого элемента, компонента и фактора пары «человек – электричество», можно создать условия, которые бы обеспечили безопасность и высокий уровень охраны труда при работе с электрооборудованием и электроинструментом.
Список использованной литературы:
1. И.Г. Литвиненко. Модель многофакторного дробного эксперимента по определению зависимости сопротивления кожного покрова человека от условий поражения электрическим током [Текст] // Научный электронный журнал Матрица научного познания. 2021. №5-1/2021. С.34-37.
2. И.Г. Литвиненко. Разработка стенда для исследования сопротивления тела человека. [Текст] // Символ науки. 2021. №5/2021. С.26-28.
© Литвиненко И.Г., 2021