9 ноября 2026 года. Во всем мире экстремальные температуры ежегодно становятся причиной 5,1 миллиона смертей, причем основная доля связана с холодом. На него приходится 8,5% всех смертей в мире. Эта проблема особенно актуальна для Канады, где зимние температуры значительно ниже отметки, принятой для холодных условий труда: ниже 10 °C.
Для электромонтеров, строителей, почтальонов и других специалистов, работающих на открытом воздухе, восьмичасовая смена при минусовой температуре и сильном ветре может стать серьезным риском. Длительное воздействие холода вызывает онемение и тепловой стресс, ухудшает физические и когнитивные функции, что может сказаться на безопасности и производительности труда.
Защита от холода из экологичных материалов
Зимняя одежда должна удерживать тепло и защищать от ветра, но при этом отводить влагу. Если пот не испаряется, влага ускоряет потерю тепла. Современная экипировка может обеспечивать необходимые свойства, однако часто производится из синтетических волокон на основе нефтепродуктов. Исследователи стремятся разработать высокоэффективную утепленную одежду из биоматериалов, уменьшая зависимость от невозобновляемого сырья.
Как тепло проходит через ткань
Чтобы экологичные ткани могли конкурировать с синтетическими, важно понять, как микроскопические волокна удерживают тепло. Обычная оценка утепляющих свойств требует изготовления множества образцов и лабораторных испытаний. Такой подход затратен и медленен, а стандартные тесты измеряют итоговое тепловое сопротивление, но не показывают, как тепло перемещается внутри случайно расположенных натуральных волокон посредством теплопроводности, конвекции и излучения.
В исследовании для изучения этих процессов использовали компьютерное моделирование — своего рода виртуальный аэродинамический канал. Оно позволило анализировать влияние свойств волокон и внешних условий, включая скорость и направление ветра. Целью было создать точный численный инструмент, который предсказывает характеристики биоматериалов при разных ветровых условиях и связывает микроскопическое строение ткани с ее способностью сохранять тепло.
Что показало моделирование
- Более тонкие полые волокна могут лучше удерживать тепло. Моделирование показало, что уменьшение диаметра натуральных полых волокон сокращает потери тепла за счет излучения.
- Увеличение толщины не всегда эффективно. В безветренную погоду объемные слои могут обеспечивать защиту, но при сильном ветре поток воздуха проникает через пористую ткань и уносит удерживаемое тепло.
- Важна воздухопроницаемость. Снижение воздухопроницаемости ткани помогает ограничить проникновение ветра и повысить ее тепловое сопротивление. При вертикальной скорости ветра 4 м/с на графике показано изменение теплового сопротивления образца в зависимости от воздухопроницаемости.
- Учет «теплового запаздывания» повышает точность расчетов. В традиционных моделях предполагается, что проходящий через куртку холодный воздух сразу достигает температуры волокон. Однако при сильном ветре воздух движется слишком быстро, чтобы температурное равновесие успело установиться. Учет этого эффекта исправил ошибки прежних прогнозов, превышавшие 20%.
Значение для безопасности работников
Исследование предлагает пересмотреть подход к проектированию зимней одежды: ограничение движения воздуха внутри ткани может быть важнее простого увеличения ее толщины. Разработанный численный инструмент дает возможность оценивать биоматериалы с помощью моделирования. Это может помочь производителям создавать более легкую, теплую и экологичную защитную одежду для специалистов, которые работают на морозе полные смены.
