The Helmet Drop Test — Stretching the Stop
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
- Masse des Kopfes m: 3 kg bis 7 kg (voreingestellt 5,0 kg).
- Aufprallgeschwindigkeit v: 2 m/s bis 8 m/s (voreingestellt 6,0 m/s); daraus folgt die Fallhöhe h = v²/2g.
- Dicke der Schaumschale t: 0 mm bis 40 mm (voreingestellt 30 mm); 0 bedeutet einen Kopf ohne Helm.
- Abspielen/Pause, zurück zum Anfang, eine Zeitleiste, die sich zu jedem beliebigen Moment ziehen lässt, und Zeitlupe ½×, ¼×, ⅛×.
- Ziehen Sie auf der Szene, um sich umzusehen.
Worauf du achten solltest
- Gleich welche Schale: Der Kopf kommt mit demselben Impuls an und endet in Ruhe – Δp bleibt bei der voreingestellten Masse und Geschwindigkeit 30 N s.
- In Zeitlupe wird der Schaum am Scheitel gegen den Amboss zusammengedrückt; 30 mm Schaum sind am Ende etwa 9 mm dick.
- Die schattierte Fläche unter dem Kraftstoß ist immer Δp, doch dickerer Schaum macht aus einer hohen, schmalen Spitze ein niedriges, breites Plateau.
- Mit 30 mm Schaum beträgt die mittlere Kraft etwa 3,6 kN (73 g), ohne Schaum etwa 22,5 kN (460 g) – mehr als sechsmal so viel.
- Ein schwererer Kopf braucht mehr Kraft zum Abbremsen, seine mittlere Verzögerung in g ändert sich aber nicht.
- Ein schnellerer Aufprall erhöht die Kraft mit dem Quadrat der Geschwindigkeit: Bei 8 m/s braucht es 16/9 der Kraft bei 6 m/s.
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.