Гидродинамическая модель формирования входной огнестрельной раны

Входная рана – это «лицо» огнестрельного ранения. Правильная морфологическая интерпретация ее элементов и дальнейшая их количественная оценка могут многое рассказать эксперту о параметрах поражающего снаряда. Для этого необходимо четкое понимание физических процессов, лежащих в основе взаимодействия снаряда и биологических тканей. Однако данные процессы и их роль в формировании элементов огнестрельной раны мало освещены в судебно-медицинской литературе.

Взгляды на механику и динамику формирования входной огнестрельной раны разнятся в русскоязычной и иностранной литературе. Если говорить лишь о воздействии снаряда, без учета дополнительных факторов выстрела, то в русскоязычной литературе акцент сделан на его механическом действии. Принято считать, что, проникая в тело, пуля вызывает воронкообразное сужение кожи и своими боковыми поверхностями срывает эпидермис по краям раны, формируя кольцо осаднения, которое со временем подсыхает [4, 5]. Образуя осаднение, пуля оставляет на его поверхности тонкий слой темно-серого металла, который создает впечатление загрязненного кольца. Отсюда и ряд названий – «поясок осаднения», «поясок высыхания», «поясок металлизации», «поясок загрязнения» [5]. Факт отслоения эпидермиса в проекции периферии пояска осаднения объясняется возможным формированием небольших временных полостей на границах разных по плотности тканей.

Зарубежные авторы, базируясь на результатах высокоскоростной видеосъемки, предлагают противоположенный механизм, указывая, что в момент контактного взаимодействия головной части огнестрельного снаряда и мишени происходит формирование воронки, расширяющейся навстречу и по краю огнестрельного снаряда. Образование кольца осаднения M.J. Thali, B.P. Kneubuehlb, U. Zollinger, R. Dirnhofer связывают прежде всего с сильными временными перенапряжениями участков кожи по выпуклому краю временного кратера с формированием радиальных надрывов. Далее эти участки, подсыхая, образуют всем известный «поясок осаднения» [6]. Причину формирования воронки авторы в своем исследовании не указывают.

В отличие от судебной медицины, явления высокоскоростного соударения тел уже многие годы изучаются целым рядом классических технических дисциплин и подробно освещены в литературе [1, 2, 3, 7]. Привлечение результатов этих исследований позволяет нам совершенно по-новому взглянуть на механику и динамику формирования входной огнестрельной раны.

Целью данного исследования явилось изучение морфологии входной огнестрельной раны и изучение механизмов ее формирования с учетом теории высокоскоростного удара.

Материал и методы исследования

В работе изучено 30 экспериментальных наблюдений входных огнестрельных повреждений кожного покрова, причиненных пулями, выстрелянными из ПМ, ТОЗ-18, пистолета Марголина. Все выстрелы были произведены с неблизкой дистанции.

Результаты и их обсуждение

Во всех экспериментальных наблюдениях дефект эпидермиса в пределах входной огнестрельной раны существенно отличался от «классической» ссадины, образующейся от касательного воздействия тупого твердого предмета, и был схож с ней лишь визуально. Дефект имел сложное объемное строение и затрагивал не только эпидермис, но и верхние слои дермы. Наружный его край представлен отслоенными лоскутами эпидермиса, имеющими треугольную, трапециевидную форму и образующими своеобразные «карманы» (рис. 1 б). Вершины данных лоскутов обращены к центру раны, а основание связано с интактной по периферии кожей (рис. 1 а).

а

б, в

Рис. 1. а – макро-фото входной огнестрельной раны, причиненный 9-мм пулей, ПМ, неблизкая дистанция (синей стрелкой показаны отслоенные лоскуты эпидермиса, белыми – рельеф стенок раны); б – профиль огнестрельной раны, в – то же; красными стрелками показаны вектора сил, обеспечивающих отслойку и образование «карманов» эпидермиса

В области дефекта нами ни в одном из наблюдений не фиксировались островки неповрежденного эпидермиса. Профиль стенок входной огнестрельной раны во всех наблюдениях был неровный, с тенденцией к углублению в направлении центрального дефекта. Неровный рельеф представлен множеством ямок неопределенной геометрической формы, наиболее выраженных на границе с центральным дефектом. Системы ямок придают рельефу вид волнистых линий, расположенных одна над другой (рис. 1 а). Данная совокупность морфологических признаков свидетельствует о том, что вектор травмирующей силы направлен с одной стороны снизу вверх, а с другой – радиально кнаружи от центрального дефекта (рис. 1 б, в). Такое направление вектора силы находит подтверждение и на кадрах высокоскоростной съемки [7] взаимодействия пули с синтетическим аналогом кожи, на которых отчетливо видно, что кожа расширяется навстречу и радиально от пули, формируя воронку, и контактирует только с головной частью снаряда (рис. 2 а).

а б

Рис. 2. Динамика формирования входной огнестрельной раны на модели «skin-skull – brain model». Высокоскоростная съемка, камера 468/Hadland-Photonics, частота кадров 50 млн/с, интервал между кадрами 16 мс. Ballistics and Detonics Laboratory, «Group for High-Speed Measurement Techniques», GR Thun, Switzerland (модификация рис. 2-9 по M.J. Thali, B.P. Kneubuehlb, U. Zollinger, R. Dirnhofer, 2002)

По форме входная огнестрельная рана очень напоминает кратер от падения метеорита. Такая схожесть не является случайной. Анализ технической литературы указывает на то, что любое высокоскоростное взаимодействие ударника и мишени приводит к формированию ударного кратера. Особенности строения кратеров определяются рядом факторов, среди которых основными являются энергия соударения, угол встречи с поверхностью и твердость веществ, образующих ударник и мишень [7]. Несмотря на колоссальную разницу в масштабах явлений, в основе их лежат одни и те же физические процессы.

Схожее поведение мягких тканей связано со спецификой высокоскоростного удара, при котором материал мишени ведет себя подобно идеальной несжимаемой жидкости и «течет» навстречу ударнику, расходясь радиально в стороны [3]. В настоящее время для удобства выделяют три стадии формирования кратерной полости – стадия сжатия, стадия экскавации и стадия трансформации [7]. Данные стадии могут быть применены и к динамике формирования входной огнестрельной раны.

Начальная стадия (стадия сжатия) характеризуется распространением в преграде и снаряде ударных волн (рис. 3 а). Ударная волна в обычной среде – это всегда волна сжатия, и скорость ее распространения превышает скорость звука в данной среде. При выходе такой волны на свободную поверхность сжатое вещество расширяется и сбрасывает давление (разгружается). Эта разгрузка распространяется в сжатое вещество, в результате чего образуется так называемая волна разгрузки (рис. 3 б). Это проявляется высоким уровнем пластических деформаций в мишени. Разгруженное вещество начинает буквально «растекаться» наружу и в стороны от контактной области, где на вершине снаряда и под ним развивается колоссальное давление. Именно это течение и является причиной образования кратерной воронки.

Рис. 3. Диаграммы, схематически показывающие
в разрезе образование ударных кратеров в слоистой
мишени: а – начало стадии сжатия; б – окончание
стадии сжатия, начало стадии экскавации;
в – дальнейшее формирование кратерной
переходной воронки, затухание ударной волны;
г – окончание стадии экскавации, прекращение
роста воронки (модификация рис. 3.3
из B.M. French, 1998)

Вторая стадия кратерообразования – стадия экскавации (подъема) – характеризуется формированием переходной воронки путем течения материала мишени и выбросом части разрушенного вещества мишени наружу (рис. 3 в). Воронка на начальном этапе имеет полусферическую форму. По мере развития поля течения она трансформируется в параболическую (рис. 3 г).

На стадии трансформации за счет гравитационной неустойчивости воронка приобретает конечную форму, края ее при этом становятся менее отвесными, и меняется соотношение между диаметром и высотой кратера.

Формирование ударного кратера сопровождается обратным выбросом частиц разрушенного в процессе пластической деформации материала, что в конечном итоге проявляется в рельефе его стенок. На кадрах высокоскоростной съемки (рис. 2 б) видно, как меняется рельеф внутренней поверхности воронки в мягких тканях: появляющиеся на начальном этапе выступы и неровности придают в дальнейшем ему волнистый характер, далее, вытягиваясь вверх, они формируют структуру, похожую на корону. Материал мишени, выдавливаемый внедряющимся снарядом в процессе течения, достигает края кратера и выбрасывается наружу в виде мелких частиц. Самое интересное, что такую же корону с формированием шариков – «осколков» мы можем наблюдать при падении в воду различных объектов, в том числе капель воды (рис. 4).

Рис. 4. Формирование всплеска в виде
«короны» при падении капли воды

Динамика формирования ударного кратера и входной огнестрельной раны полностью повторяется при формировании водной «короны». Даже такой элемент входной огнестрельной раны, как отслоенные лоскуты эпидермиса, находит аналогию в метеоритных кратерах – их воронка окружена валом, образованным задранными пластами подстилающих пород (цокольный вал). Такая схожесть пространственной геометрии, динамики формирования рассматриваемых структур, а также кинематики течения материала связана с тем, что во всех случаях на начальном этапе столкновения ударника и мишени материал последней ведет себя как идеальная несжимаемая жидкость.

Рассмотренный ударно-волновой механизм находит подтверждение и при рассмотрении зависимости ширины дефекта эпидермиса от скорости огнестрельного снаряда. Так, наибольшая ширина его наблюдалась при средних скоростях, в то время как при низких и высоких она была значительно меньше. При сопоставлении ширины кольца дефекта эпидермиса и диаметра пули наблюдалась следующая закономерность – в абсолютных цифрах ширина кольца увеличивалась, а в относительных (в пропорциональном отношении к диаметру центрального дефекта) – уменьшалась, что еще раз подтверждает тот факт, что характеристики дефекта эпидермиса определяются не механическим фактором, а количеством переданной энергии и способом ее передачи. Предлагаемая гидродинамическая модель также объясняет, почему металл снаряда, взаимодействуя с кожным покровом, оставляет свои следы на краях повреждения. Поясок обтирания – прямое следствие контактного взаимодействия «наползающих» краев воронки из кожного покрова на снаряд. Отслаивающийся при этом эпителий объясняет «карманообразное» отложение металла по наружной границе пояска осаднения и обтирания.

Выводы

Механизмы формирования входной огнестрельной раны включают в себя сложные ударно-волновые и гидродинамические процессы, главным итогом которых является формирование воронки, схожей по строению с кратером от падения метеорита и всплеска типа «короны» при падении различных объектов в воду. Предлагаемая гидродинамическая модель формирования входной огнестрельной раны позволяет совершенно по-новому взглянуть не только на механизмы формирования кольцевидного дефекта эпидермиса, но и на образование сколов наружной костной пластинки в области входного повреждении и, в целом, на всю огнестрельную травму.

Список литературы:

1. Зукас, Дж. А. Динамика удара. – М., 1985.
2. Канель, Г. И. Ударно-волновые явления в конденсированных средах / Г. И. Канель, С. В. Разоренов. – М.: Янус-К, 1996. – 408 с.
3. Кинслоу, Р. Высокоскоростные ударные явления. – М.: Мир, 1973. – 531 с.
4. Молчанов, В. И. Огнестрельные повреждения и их судебно-медицинская экспертиза / В. И. Молчанов, В. Л. Попов, К. Н. Калмыков. – М.: Медицина, 1990. – 272 с.
5. Попов, В. Л. Судебно-медицинская баллистика / В. Л. Попов, В. Б. Шигеев, Л. Е. Кузнецов. – СПб., 2002. – 655 с.
6. А study of the morphology of gunshot entrance wounds, in connection with their dynamic creation, utilizing the «skin-skull-brain model» / M. J. Thali, B. P. Kneubuehl, U. Zollinger, R. Dirnhofer // Forensic Sciensic International. – 2002. – № 125. – P. 190–194.
7. French, B. M. Traces of Catastrophe: A Handbook of Shock-Metamorphic Effects in Terrestrial Meteorite Impact Structures / Lunar and Planetary Institute, Houston, 1998. – 120 p. – (LPI Contribution; № 954).