The Helmet Drop Test — Stretching the Stop
La cabeza tiene que detenerse de todos modos: ¿qué cambia entonces la espuma de un casco? Una cabeza de ensayo metálica con un casco en corte cuelga sobre un yunque de acero, con la coronilla hacia abajo, como en un banco de pruebas de cascos; al pulsar reproducir cae una sola vez y se detiene. Los controles deslizantes fijan la masa de la cabeza, la velocidad de impacto y el grosor del forro de espuma. La caída se muestra 5 veces más lenta y el frenado 250 veces más lento, con la vista acercándose al yunque, de modo que se ve aplastarse la espuma mientras una gráfica de fuerza frente al tiempo registra el pulso; la línea de tiempo se puede arrastrar a cualquier instante.
Cómo usar esta simulación
- Masa de la cabeza m: de 3 kg a 7 kg (5,0 kg por defecto).
- Velocidad de impacto v: de 2 m/s a 8 m/s (6,0 m/s por defecto); de ella se deduce la altura de caída h = v²/2g.
- Grosor del forro de espuma t: de 0 mm a 40 mm (30 mm por defecto); 0 significa una cabeza sin casco.
- Reproducir/pausa, volver al inicio, una línea de tiempo que puede arrastrar a cualquier instante y cámara lenta ½×, ¼×, ⅛×.
- Arrastre sobre la escena para mirar alrededor.
Qué observar
- Sea cual sea el forro, la cabeza llega con la misma cantidad de movimiento y termina en reposo: Δp sigue siendo 30 N s con la masa y la velocidad predeterminadas.
- A cámara lenta, la espuma de la coronilla se aplasta contra el yunque; 30 mm de espuma quedan en unos 9 mm.
- El área sombreada bajo el pulso de fuerza siempre vale Δp, pero una espuma más gruesa convierte un pico alto y estrecho en una meseta baja y ancha.
- Con 30 mm de espuma la fuerza media es de unos 3,6 kN (73 g); sin espuma, de unos 22,5 kN (460 g): más de seis veces más.
- Una cabeza más pesada necesita más fuerza para detenerse, pero su deceleración media en g no cambia.
- Un impacto más rápido aumenta la fuerza con el cuadrado de la velocidad: a 8 m/s hacen falta 16/9 de la fuerza a 6 m/s.
La física detrás
La cabeza cae desde h = v²/2g y llega al yunque con velocidad v, así que trae una cantidad de movimiento mv y termina en reposo: Δp = mv sea cual sea el forro, 30 N s para la cabeza predeterminada de 5,0 kg a 6,0 m/s (una caída de 1,84 m). La espuma no puede cambiar Δp: alarga el frenado. En el modelo la espuma se aplasta un 70 % de su grosor con una fuerza casi constante, y la piel de la cabeza y el acolchado ceden 4 mm más, así que la cabeza se detiene en d = 0,7t + 4 mm. Tomando el frenado como uniforme, dura Δt = 2d/v, y la fuerza media es F = Δp/Δt = mv²/2d. Con 30 mm de espuma: d = 25 mm, Δt = 8,3 ms, F ≈ 3,6 kN, una deceleración media de unos 73 g. Sin espuma: Δt = 1,3 ms, F ≈ 22,5 kN, unos 460 g. La gráfica muestra la fuerza resultante (el yunque también soporta el peso de la cabeza): un pulso de techo plano con espuma y un pico estrecho sin ella, y su área es siempre Δp. Una cabeza más pesada necesita una fuerza proporcionalmente mayor, pero su deceleración en g solo depende de v y de d. Las normas de ensayo limitan la deceleración máxima, aproximadamente a 250–300 g.