The Helmet Drop Test — Stretching the Stop
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
- كتلة الرأس m — من 3 كجم إلى 7 كجم (5.0 كجم افتراضيًا)
- سرعة الاصطدام v — من 2 م/ث إلى 8 م/ث (6.0 م/ث افتراضيًا)؛ ويتحدد منها ارتفاع السقوط h = v²/2g
- سُمك بطانة الرغوة t — من 0 مم إلى 40 مم (30 مم افتراضيًا)؛ والصفر يعني رأسًا دون خوذة
- تشغيل/إيقاف مؤقت، والعودة إلى البداية، وشريط زمني يمكنك سحبه إلى أي لحظة، وحركة بطيئة ½× ¼× ⅛×
- اسحب في أي مكان من المشهد للنظر حوله
ما الذي تلاحظه
- أيًّا كانت البطانة يصل الرأس بكمية الحركة نفسها وينتهي ساكنًا: تبقى Δp مساوية 30 نيوتن·ث عند الكتلة والسرعة الافتراضيتين
- في الحركة البطيئة تنسحق الرغوة عند قمة الرأس على السندان؛ فتنتهي 30 مم من الرغوة بسُمك نحو 9 مم
- المساحة المظلّلة تحت نبضة القوة مع الزمن تساوي Δp دائمًا، لكن الرغوة الأسمك تحوّل القمة العالية الضيقة إلى هضبة منخفضة عريضة
- مع 30 مم من الرغوة يكون متوسط القوة نحو 3.6 كيلونيوتن (73 g)، ودون رغوة نحو 22.5 كيلونيوتن (460 g) — أي أكثر من ستة أمثال
- يحتاج الرأس الأثقل إلى قوة أكبر كي يتوقف، ومع ذلك لا يتغير متوسط تباطئه مقيسًا بـg
- الاصطدام الأسرع يرفع القوة بمربع السرعة: تحتاج 8 م/ث إلى 16/9 من القوة عند 6 م/ث
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.