О мембране, трёх слоях и прочих мифах…

Популярные рекомендации «в чём бегать зимой» (впрочем, не только зимой) часто основаны на сказках. Ну вот например, наверняка вы часто видели картинки подобные той, что слева. Пресловутая «теория трёх слоёв». Полный бред, если задуматься. Нам говорят, что первый слой якобы «выводит влагу».  А что, второй и третий её не выводят? Они выводят ровно то же самое количество влаги, иначе бы она накапливалась между ними. Или например якобы второй слой «сохраняет тепло». А что-же вы тогда первый слой называете иначе ТЕРМОбельём, а? И советуете туда даже материалы с шерстью или её аналогами, уж не сохранять ли тепло? Или курточка из третьего слоя тепло не сохраняет, особенно если она зимняя и с подкладочкой?  Заодно напомню и другую популярную картинку (справа). Любой продавец вам расскажет сказку про гортекс (здесь и далее я все «одежно-обувные» мембраны буду называть гортексом с маленькой буквы, подобно ксероксу, чтобы отличать их от других мембран,  например клеточных (биологических)). Якобы волшебный гортекс умеет выводить (опять это слово) пот наружу и при этом не пускать влагу внутрь.  Предложите кстати ему (продавцу) тест на профпригоднось — будет ли так же работать гортексовая куртка, вывернутая наизнанку? А сами знаете ответ? Как мембрана узнаёт, где у неё «нутрь» а где — «наружа»?

Ну хорошо, вы спросите — а что же на самом деле? Для начала я бы предложил полностью исключить из лексикона одушевляющие глаголы ( а то одежда — ну прямо как говорящие звери в сказках). «Выводит», «не пускает», «согревает»…. Одежда — мертва. Она не делает НИЧЕГО сама. Да, есть мембраны, и это живые, биологические мембраны в наших клетках, которые реально что-то выводят или наоборот активно вводят, но для этого в них встроены довольно сложные белковые механизмы, потребляющие энергию. В одежде таких насосов нет, а  все движения тепла, пара и воды определяются довольно простыми, грубо говоря «диффузионными» законами,  движением от мест с большей концентрацией (давлением, температурой, нужное подчеркнуть) к местам с меньшей.  Одежда лишь может обладать разным сопротивлением этому движению (или, иначе говоря, разной проводимостью). Но при этом она абсолютно пассивна.  Вот например стандартная картинка из учебника по термоизоляции. В одежде происходит всё то же самое:

Конкретно на этой картинке показан вариант без ветра и со свободным облеганием (явно видно, что внутренняя температура выше поверхностной, а внешняя — ниже). При облегании и умеренном ветре (или активном движении) эти «кривые» кусочки исчезают и картингка становится даже проще — температуры на  внутренней/внешней границах просто равны температурам кожи и внешнего воздуха соответственно. Важное замечание — цифрами 1-2-3 показаны материалы с разной теплопроводностью, но они вообще говоря не совпадают с предметами одежды! Т.е. это не «слои» из «теории трёх слоёв».  Это могут быть детали (элементы ткани) даже всего одного предмета одежды, если она неоднородна, а большинство технологичных спортивных тканей именно таково. Назовём их областями, чтобы не путаться в «слоях». Даже воздух между двумя неплотно прилегающими предметами одежды — тоже «область»!  И, разумеется, областей может быть не три, а произвольное число, от одного до десятка и даже больше. Наклон графика внутри области зависит от её теплопроводности — чем меньше теплопроводность, тем сильнее наклон. Зная граничные условия и теплопроводности областей, легко решается система уравнений и находится эквивалентная теплопроводность всей системы, и, соответственно, поток тепла с квадратного сантиметра тела, который уйдёт наружу .  Этот поток должен быть оптимальным для данной интенсивности бега. Если он слишком мал, будет перегрев (вы «зажаритесь»). Если слишком велик — переохлаждение (вы замёрзнете). Но при разной интенсивности работы (бега и т.п.) этот оптимум, разумеется, существенно разный. Таким образом, для заданной интенсивности бега вообще неважно, на какой именно области какой наклон, и неважно сколько областей или сколько слоёв (в смысле предметов одежды), важна лишь итоговая теплопроводность всей системы.

Примерно похожая картина и с паропроводностью. Нужно просто, чтобы поток пара через всю систему был не ниже оптимального (тут «выше» не получится, просто пота столько не выделится), а в каком конкретно слое какой наклон графика — не имеет значения (ну, конечно, если активность достаточно длинная, на коротких можно допустить чтобы, например, внешняя область промокла насквозь, почти не выпуская пар наружу).

И вот теперь самое время вспомнить про сказочный гортекс.  Действительно ли он всё «выводит» только в одну сторону? И где у него «внутри» и где «снаружи»?  В упрощённом виде ситуация такова.  Сам гортекс абсолютно симметричен.  Ему всё равно где улица и где тело, он ничего никуда не «выводит». Асимметрия всего лишь в агрегатном состоянии пота и дождя.  Пот (в идеале) поступает вк гортексу в виде пара, т.е. по сути отдельных молекул. Они способны «пролезть» в миниатюрное «сито», которым по сути и является гортекс. А вот вода в её жидкой фазе имеет такие хитрые свойства, как вязкость и, главное, поверхностное натяжение. Проще всего его наблюдать при капании любых капель из пипетки, ну, например при насморке 🙂 . Маленькая капля не может никак оторваться, и лишь достигнув определённой величины, наконец, капает. Физическое объяснение эффекта (если, конечно, не вдаваться в объяснения самой природы поверхностного натяжения) тут крайне просто — каплю держит поверхностное натяжение внешней плёнки, пропорциональное периметру, а вниз тянет вес, пропорциональный объёму. Одно грубо пропорционально радиусу, а другое — кубу радиуса, поэтому абсолютно при любых коэффициентах (ну т.е. для любой жидкости) при малых радиусах побеждает поверхностное натяжение, а при больших — вес. То же самое происходит и при проталкивании жидкости в маленькие отверстия. Поверхностное натяжение сопротивляется, но оно пропорционально линейному размеру дырки. А вес (или в общем случае давление)  жидкости пропорционально более высоким степеням радиуса (в зависимости от геометрии и пропорций конкретной задачи от квадрата до куба, но это в данном случае — детали), стало быть в очень маленькие дырки вода не пролезет, а сквозь большие — легко. Чем мельче дырки, тем большее давление надо, чтобы её туда пропихнуть. Гортекс — это просто «достаточно маленькие дырки», пропихнуть сквозь которые дождь (жидкий!) не получается и никаких чудесных насосов, чего-то там выводящих-вводящих там нет.  Отсюда для морозной зимы вытекает крайне неприятное следствие. Допустим, гортекс у нас в наружном слое, как в большинстве курток. Посмотрите ещё раз на распределение температуры по областям. Оно непрерывно,   внутри 35С (грубо), снаружи — ну, допустим -20С (мороз). Значит ноль будет где-то в середине. Что произойдёт с паром, путешествующим от тела наружу? Правильно, он начнёт конденсироваться. Не сразу, конечно, не мгновенно в одной точке, не  ровно при нуле, но чем ниже температура — тем активнее. И до гортекса дойдёт уже либо в жидком виде, либо, при достаточном минусе — даже заледенеет раньше. Но даже если на входе в гортекс он ещё пар, он вполне может сконденсироваться и замёрзнуть внутри самого гортекса, заткнув его дырки, ведь от морозной улицы гортекс отделяет лишь тоненький слой защитного капрона, и температура в «дырочках» близка к уличной. Так или иначе, ни о каком «выводе пота» речь уже идти не будет.   Чтобы пар выводился, надо «согреть» гортекс, а для этого засунуть его поглубже внутрь, под толстый полар, и переименовать в «виндстоппер» 🙂 . Или вообще нанести на нижнее бельё, как у лыжников. Для чего — это уже отдельный вопрос, о нём чуть позже. Таким образом, если в холодную дождливую осень внешний («третий») гортексовый слой из «теории трёх слоёв», — пожалуй, единственный осмысленный пункт в этой теории (ну да, от дождя защитит, ничего не промокнет, а пар кое-как выпустит), то зимой и этот элемент сказочной «триады» полностью теряет смысл, все «слои» окончательно перемешиваются и вообще непонятно сколько их, кто из них что делает, почему именно три и так далее…

Вы скажете — автор лукавит, ну не дураки же все покупатели многочисленных зимних курток с гортексом снаружи? Тут ответ простой. Для чего ещё могут быть полезны мелкие дырки, кроме защиты от дождя? Правильно, для защиты от сильного ветра. При сильном ветре в наружной области уже не работает классическая модель теплопроводности, диффундирует не тепло как таковое, а сам холодный воздух «заталкивается» в одежду снаружи давлением ветра. Тут собственно теплопроводность неважна, важна «непродуваемость», что по сути означает что материал должен быть «почти сплошной», иначе говоря «мелкие дырки» как раз вполне подходят 🙂 То, что нужно горнолыжникам, ибо на спусках у них встречный ветер образуется «автоматически». Плюс малейшее падение — «вбивание» снега, иногда мокрого, «под давлением» (из-за скорости) — тоже нестрашно.  У «равнинных» лыжников тоже скорости сильно выше «беговых», особенно на спусках, так что их одежда тоже часто включает мембранные элементы спереди. Этой своей асимметричностью (черезчур плотная спереди и чуть ли не дырявая сзади) и коварна лыжная одежда — даже при достаточно хороших материалах надо внимательно смотреть степень асимметрии, ибо у бегуна скорости совсем другие, ему такая асимметрия не нужна. А для ветра бегуну чаще всего хватит и немембранных ветровок из тонкого плотного капрона (раньше использовали так называемый «каландр» — материал с частично «заплавленными» дырочками, сейчас того же добиваются другими технологиями).

Вернёмся к слоям. Ну хорошо, если «теория трёх» неверна, то сколько? И какие принципы подбора?  От чего зависит число слоёв, от температуры? Теоретически — нет, от температуры не зависит. Практически (исходя из имеющихся в магазине шмоток) — слегка зависит конечно, но не полностью.  Так от чего?

Выше (сразу после картинки из учебника) мы уже определили, что под каждую конкретную интенсивность бега при заданной внешней температуре  важна лишь одна эффективная теплопроводность, ну и паропроводность аналогично. Оказывается, что при современных технологичных материалах в большинстве случаев сочетание оптимальной тепло- и паро-проводности для фиксированного темпа и условий  достигается одной шмоткой.  Так, например, вот в таком свитерке на голое тело я вполне комфортно бегал в диапазоне от плюс до минус пяти,   включая даже небольшие горки с ветром (LeviTunturi, Finland, 300м набора над уровнем равнины). Для более холодных (или менее «активных») условий шмотка будет потяжелее, для менее холодных (или более скоростных) — полегче.  Часто вполне подходят лыжные разминочные куртки на размер меньше (с оговоркой про асимметрию — см. выще). У подобных решений три существенных свойства:

  • эластичное обтягивание (не компрессия, но нечто близкое к тому) — для распределения пота по всему материалу, избежания конденсации и стекания ручейками вниз по спине, ибо там где-то на поясе застрянет и намокнет… Это — наверное единственный разумный вариант реанимации  дурацкого определения «первый слой отводит пот». Неважно сколько слоёв — нижний должен быть «компрессионным» (ну, почти…)
  • «махровая» рыхлая изнанка (нечто вроде флиса) — теплоизолятор
  • плотный внешний трикотаж — частично защищает от продувания.

Подчеркну ещё раз — всё это легко достигается одним слоем (по терминологии «теории трёх»).

Для чего же используется многослойность («многошмоточность»)?  Давайте посчитаем. Допустим, вы планируете две подряд активности, ну допустим интенсивный темповик и лёгкую заминку до дома. Или, например, на длинной дистанции ожидается похолодание (потепление). Т.е. либо внешняя температура, либо ваша активность варьируется. Для одной задачи допустим нужна кофточка в 200граммов. а для другой — в 400. Пробежали быстро в двухсотграммовой, похолодало (или замедлились) — переодели 400-граммовую. Один слой, да, но суммарно 600граммов. А если взять две (условно) двухсотграммовые и вторую просто надевать поверх?  При грамотном подборе будет работать как одна 400-граммовая, в итоге 200г сэкономили!  Чем более вариативны  условия, тем больше слоёв нужно, тем больше экономия от многослойности по сравнению с «узкоспециализированным» однослойным вариантом.  Таким образом, многослойность — это просто экономия веса в случае непредсказуемых либо заметно меняющихся условий (активности плюс температуры плюс ветра и т.п.), и не более того, а вовсе не «научное» решение задачи отвести некое количество пота при такой-то температуре воздуха, на что нам постоянно намекает сказка о «трёх слоях».  Если вам предстоит условно говоря «асфальтовый» марафон  в зимнем парке и не ожидается какой-то ужасный атмосферный фронт (иначе говоря предстоит три-четыре часа при постоянной температуре в постоянном темпе), то независимо от этой температуры можно бежать в одном слое, просто заранее на тренировках надо откалибровать, какого уровня утепление требуется конкретно вам для конкретно какой скорости, или, иными словами, какой толщины шмотку брать.  Популярные таблицы от производителей чаще всего расчитаны на очень неторопливых бегунов.  А разброс «термокомфортности» (или теплоустойчивости) между конкретными бегунами достаточно широкий.   Нет подходящей одной шмотки в хозяйстве — комбинируйте две, да хоть три, без разницы. Противоположный абстрактный пример —  суточный горный трейл с перепадом высот в один-два километра. Даже без учёта времени суток сверху холод и ветер могут быть существенно другими, чем внизу, а уж ночью… Плюс неизбежное падение активности к концу у большинства…  Тут и три, и четыре, и может даже пять слоёв могут пригодиться. И не надо заморачиваться, что из них «греет», а что «отводит», забудьте. Если возможен дождь — наружу имеем  гортекс. Внутрь — всегда нечто в обтяжку. Всё, остальное — практически в любом порядке работает.

Краткие выводы:

  • забудьте о трёх слоях;
  • гортекс зимой не дышит, не тратьте лишних денег;
  • число слоёв зависит только от вариативности (диапазона изменения) погоды+активности, а не от температуры.
  • калибруйте одежду под себя экспериментально.

 

2 мысли о “О мембране, трёх слоях и прочих мифах…”

  1. про симметричность мембраны правильно,
    про замерзание конденсата в очень сильный мороз правильно.
    про избыточность 3-х слойной одежды зачастую тоже верно. ( особенно если не предполагается рваный темп).

    а вот общий вывод неправильный.
    почему ? — да потому, что в самом*рабочем* диапазоне зимних *лыжных* температур. ( до -15-17) мембрана прекрасно работает.
    Очень наглядно это видно в ночных покатушках , когда в свете налобника видно, как из поверхности куртки буквально валит пар…

    Для конкретности велокуртка Biemme , мембрана Gore windstopper.

  2. Прекрасный пример невнимательного чтения. Про виндстоппер прямо сказано в тексте. Меняем местами слои — прячем мембрану под полар, получаем виндстоппер. Теперь третий слой греет, а второй — «изолирует». Зачем это бегуну при его скоростях — непонятно. И то что речь о «покатушках» а не о «побегушках» это прекрасно подтверждает.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *