The Helmet Drop Test — Stretching the Stop

الميكانيكا متوسط مجاني VR · AR
The Helmet Drop Test — Stretching the Stop – الميكانيكا
The Helmet Drop Test — Stretching the Stop – الميكانيكا

لا بد أن يتوقف الرأس في كل الأحوال — فما الذي تغيّره رغوة الخوذة حقًا؟ يُعلَّق رأس اختبار معدني يرتدي خوذة مقطوعة المقطع فوق سندان من الصلب، وقمة الرأس إلى أسفل كما في أجهزة اختبار الخوذ؛ اضغط زر التشغيل فيسقط مرة واحدة ويتوقف. تضبط المنزلقات كتلة الرأس وسرعة الاصطدام وسُمك بطانة الرغوة. يُعرض السقوط أبطأ ‎5‎ مرات والتوقف أبطأ ‎250‎ مرة، مع اقتراب المشهد من السندان، فتُرى الرغوة وهي تنسحق بينما يسجّل رسم القوة مع الزمن النبضة، ويمكن سحب الشريط الزمني إلى أي لحظة.

كيف تستخدم هذه المحاكاة

ما الذي تلاحظه

الفيزياء وراءها

يسقط رأس الاختبار من ارتفاع ‎h = v²/2g‎ ويصل إلى السندان بسرعة ‎v‎، فيصل بكمية حركة ‎mv‎ وينتهي ساكنًا: ‎Δp = mv‎ أيًّا كانت البطانة — ‎30 نيوتن·ث‎ للرأس الافتراضي الذي كتلته ‎5.0 كجم‎ بسرعة ‎6.0 م/ث‎ (سقوط من ‎1.84 م‎). لا تستطيع الرغوة تغيير ‎Δp‎، بل تطيل زمن التوقف. ففي النموذج تنسحق الرغوة بمقدار ‎70 %‎ من سُمكها بقوة شبه ثابتة، ويضيف جلد الرأس والحشوة ‎4 مم‎، فيتوقف الرأس خلال مسافة ‎d = 0.7t + 4 مم‎. وباعتبار التوقف منتظمًا يستغرق ‎Δt = 2d/v‎، ويكون متوسط القوة ‎F = Δp/Δt = mv²/2d‎. مع ‎30 مم‎ من الرغوة: ‎d = 25 مم‎ و‎Δt = 8.3 مللي ث‎ و‎F ≈ 3.6 كيلونيوتن‎، أي تباطؤ متوسط نحو ‎73 g‎. ودون رغوة: ‎Δt = 1.3 مللي ث‎ و‎F ≈ 22.5 كيلونيوتن‎، أي نحو ‎460 g‎. ويعرض الرسم القوة المحصلة — فالسندان يحمل وزن الرأس أيضًا — نبضةً مسطحة القمة مع الرغوة وقمةً ضيقة دونها، ومساحتها دائمًا ‎Δp‎. يحتاج الرأس الأثقل إلى قوة أكبر بالنسبة نفسها، لكن تباطؤه مقيسًا بـ‎g‎ لا يعتمد إلا على ‎v‎ و‎d‎. وتحدّ معايير الاختبار من ذروة التباطؤ بنحو ‎250–300 g‎.

impulsemomentumF = Δp/Δthelmetstopping timeforce–time graph3D