The Helmet Drop Test — Stretching the Stop

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The Helmet Drop Test — Stretching the Stop – Mechanik
The Helmet Drop Test — Stretching the Stop – Mechanik

Der Kopf muss so oder so zum Stillstand kommen – was ändert also der Schaum in einem Helm? Ein metallener Prüfkopf mit einem aufgeschnittenen Helm hängt mit dem Scheitel nach unten über einem Stahlamboss, wie in einem Helmprüfstand; mit der Wiedergabetaste fällt er einmal und kommt zum Stehen. Schieberegler stellen die Masse des Kopfes, die Aufprallgeschwindigkeit und die Dicke der Schaumschale ein. Der Fall wird 5-mal langsamer gezeigt und das Abbremsen 250-mal langsamer, während die Ansicht an den Amboss heranrückt; so sieht man den Schaum zusammengedrückt, während ein Kraft-Zeit-Diagramm den Kraftstoß aufzeichnet, und die Zeitleiste lässt sich zu jedem Moment ziehen.

So benutzt du diese Simulation

Worauf du achten solltest

Die Physik dahinter

Der Prüfkopf fällt aus h = v²/2g und trifft mit der Geschwindigkeit v auf den Amboss; er bringt also den Impuls mv mit und kommt zur Ruhe: Δp = mv, gleich welche Schale – 30 N s für den voreingestellten Kopf von 5,0 kg bei 6,0 m/s (ein Fall aus 1,84 m). Der Schaum kann Δp nicht ändern; er verlängert das Abbremsen. Im Modell wird der Schaum bei nahezu konstanter Kraft um 70 % seiner Dicke zusammengedrückt, und Haut und Polsterung des Kopfes geben weitere 4 mm nach; der Kopf kommt also auf d = 0,7t + 4 mm zum Stehen. Nimmt man das Abbremsen als gleichmäßig an, dauert es Δt = 2d/v, und die mittlere Kraft ist F = Δp/Δt = mv²/2d. Mit 30 mm Schaum: d = 25 mm, Δt = 8,3 ms, F ≈ 3,6 kN, eine mittlere Verzögerung von etwa 73 g. Ohne Schaum: Δt = 1,3 ms, F ≈ 22,5 kN, etwa 460 g. Das Diagramm zeigt die resultierende Kraft – der Amboss trägt zusätzlich das Gewicht des Kopfes –: mit Schaum einen Kraftstoß mit flachem Plateau, ohne Schaum eine schmale Spitze, und seine Fläche ist immer Δp. Ein schwererer Kopf braucht eine proportional größere Kraft, seine Verzögerung in g hängt aber nur von v und d ab. Prüfnormen begrenzen die Spitzenverzögerung auf etwa 250–300 g.

impulsemomentumF = Δp/Δthelmetstopping timeforce–time graph3D