Wstrząs mechaniczny

Występuje wstrząs mechaniczny, gdy wektor prędkości wykazuje nagłą zmianę, co powoduje przejściowe reżimy w rozpatrywanym układzie. Zwykle odpowiada to zderzeniu dwóch ciał.

W modelu nieodkształcalnej bryły odpowiada to nieciągłości wektora prędkości ( funkcja Heaviside'a ), co pociąga za sobą nieskończoną wartość przyspieszenia w postaci diraca . Zgodnie z podstawową zasadą dynamiki , wstrząs odpowiada również szczytowi siły lub momentu obrotowego Diraca („nieskończony”) .

W praktyce zmiana prędkości nie jest natychmiastowa; na przykład w wypadku między dwoma samochodami uważa się, że opóźnienie trwa około 0,1 s . Przyspieszenie, a tym samym siła lub moment obrotowy, przyjmują zatem skończone, ale potencjalnie bardzo wysokie wartości, jeśli występujące prędkości i bezwładność są duże. Może to spowodować nieodwracalne szkody materialne (pęknięcie części) i obrażenia, które mogą prowadzić do śmierci. Wstrząsy z małą prędkością i mała bezwładność generalnie nie stanowią problemu (np. Gra piłką ).

Konieczne jest rozróżnienie szoku - nieciągłości prędkości - szarpnięcia - nieciągłości przyspieszenia (wstrząsy).

Szok sprężysty dwóch obiektów jest dość prosty do opisania: rzeczywiście, ożywiony przez ich prędkość początkową z wyłączeniem jakiejkolwiek innej siły zewnętrznej, dwa obiekty wymieniają pęd (= iloczyn masy i prędkości), całkowitą energię kinetyczną (= 1 / 2 × masa × prędkość²) przy zachowaniu. Mówimy o szoku elastycznym (czasem niewłaściwie nazywanym szokiem twardym ), jeśli nie ma absorpcji energii, aw tym przypadku każda masa opuszcza z nową prędkością , lub szoku nieelastycznym (lub nawet miękkim ), jeśli dwa obiekty są połączone podczas szok uformował jedną bryłę ożywioną z nową prędkością.

Na poziomie odkształceń, którym podlegają zderzające się ciała, należy oprzeć się na energii odkształcenia.

Rodzaje wstrząsów są bardzo zróżnicowane: zderzenia , uderzenia , upadki (podczas obsługi), fale uderzeniowe (związane z eksplozjami lub trzęsieniami ziemi ) itp.

Mechanizmy szokowe

Wstrząsy najczęściej odpowiadają zderzeniom , ale nie są one systematyczne. Rzeczywiście, każde działanie mechaniczne zmieniające nagle intensywność jest źródłem nieciągłości przyspieszenia. Może to być na przykład:

pojawianie się lub zanikanie pola elektromagnetycznego ( przerwanie lub zamknięcie obwodu zasilania cewki);
kontakt z cieczą, taki jak katastrofalne lądowanie w wodzie lub mieszkanie podczas nurkowania ;
cam miał ostry kąt: nie ma już wałek / kontakt cam więc nie ma kolizji ściśle mówiąc, chociaż można uznać, że zderza rolkowe z pochyłej części zderzaka;
działanie liny, takie jak nagłe uruchomienie wyciągarki lub działanie liny utrzymującej upadek wspinacza ;
hamowanie awaryjne maszyny: niektóre maszyny mechaniczne muszą się zatrzymać w bardzo krótkim czasie (zwykle mniej niż sekunda), szybkości reakcji zapobiegającej obrażeniom ciała lub ich pogorszeniu, na przykład w przypadku złapania osoby przez mechanizm; części mechanizmu są następnie poddawane wstrząsowi;
nagła zmiana ciśnienia; na przykład w przypadku wybuchu bomby ciało (przedmiot lub żywa istota) jest poddawane nagłemu nadciśnieniu po stronie wybuchu, podczas gdy przeciwległa strona pozostaje pod ciśnieniem atmosferycznym, różnica tych dwóch powoduje siła, która może uderzyć lub wprawić obiekt w ruch ( podmuch wtórny); a kiedy szczyt ciśnienia przechodzi nad obiektem, różnica między ciśnieniem zewnętrznym a ciśnieniem wewnętrznym może również spowodować uszkodzenie ( podmuch pierwotny);
nagła zmiana w przepływie płynu, taka jak nagłe otwarcie lub zamknięcie zaworu; mówimy o młocie wodnym .

Jeżeli wstrząs jest skutkiem kontaktu, to części ciała oddalone od strefy kontaktu zachowują swoją prędkość początkową, zgodnie z zasadą bezwładności. Strefa kontaktu porusza się z inną prędkością niż reszta ciała, dlatego mamy do czynienia z miejscową deformacją. Powoduje to powstanie fali ściskającej, która będzie propagować przyspieszenie, aż ciało ponownie znajdzie się w równowadze, to znaczy do momentu, gdy wszystkie punkty przejdą do nowej prędkości.

Obrażenia szokowe

Należy rozróżnić dwa rodzaje uszkodzeń: uszkodzenia związane z działaniami kontaktowymi i uszkodzenia związane z przyspieszeniem.

Wstrząs będący brutalnym przyspieszeniem, z konieczności jest brutalnym działaniem mechanicznym. Kiedy jest to akcja kontaktowa, to samo działanie może spowodować uszkodzenie. Uszkodzenie to jest w dużej mierze związane z dociskiem ; jednym ze sposobów zmniejszenia tego uszkodzenia jest zwiększenie powierzchni styku. W ten sposób unika się ostrych kątów na korzyść fazowania lub zaokrąglenia ; fronty samochodów są teraz zaprojektowane tak, aby miały zaokrąglone kształty, aby zmniejszyć uszkodzenia pieszych i jednośladów.

Przyspieszenie tworzy dynamiczne pole siłowe, które może powodować uszkodzenia. Na przykład podczas wypadku samochodowego nagłe zwolnienie może spowodować pęknięcie narządu.

Amortyzacja wstrząsów

Tłumienie amortyzatora składa się zasadniczo z dwóch części:

część elastyczna, co powoduje wydłużenie czasu przejścia między prędkościami, a tym samym zmniejszenie wartości przyspieszenia;
jako przykład możemy wziąć upadek na trampolinie , czas pomiędzy początkiem kontaktu a rezygnacją z prędkości (pozycja dolna) jest rzędu 0,2 s , znacznie większy niż czas zatrzymania, gdy `` skaczemy na twardo '' ziemia
część rozpraszająca energię, której celem jest uniknięcie efektu odbicia;
są to na ogół zjawiska tarcia, często tarcia płynnego , lepkości , czasem zjawiska nieodwracalnych odkształceń: odkształcenie plastyczne części (przypadek np. odkształcenia podwozia samochodu w przypadku zderzenia) lub pęknięcie (przypadek np. sztywna pianka dwukołowego kasku absorbująca wstrząsy podczas zderzenia).

Przykładowo, liny stosowane we wspinaczce to tzw. Liny „ dynamiczne ”, rozciągające się w czasie upadku o około 20%, a tym samym zmniejszające wartość przyspieszenia, a tym samym uszkodzenia wspinacza. Maty przeznaczone do przyjmowania upadków podczas uprawiania sportu (skakanie, gimnastyka, tatami ) to kolejny przykład elastycznej amortyzacji; grube maty piankowe mają również właściwości rozpraszające (przechodzenie powietrza przez pory).

Zrozumienie mechanizmów obrażeń podczas wypadku znacząco zmieniło samochody w kierunku lepszego tłumienia. W ten sposób przeszliśmy od pojazdów bardzo sztywnych, a więc mających bardzo niskie tłumienie, do pojazdów, których blacha „wygina się” podczas zderzenia, aby rozproszyć energię. Wcześniej masywny zderzak stała się prosta plastikowa powłoka przeznaczona więcej, aby zapobiec zadrapania i ochrony pieszych. Celem pasa bezpieczeństwa w wypadku samochodowym jest zapobieżenie zderzeniu osoby z kabiną pasażerską (lub z ziemią w przypadku wyrzucenia). Uszkodzenie ogranicza się wówczas do skutków kontaktowego działania pasa (uraz pasa: oparzenia, złamania żeber) i spowolnienia (uraz kręgosłupa szyjnego, rozerwanie narządów wewnętrznych, wstrząs mózgu o skrzynkę czaszkową) - tak długo, jak deformacja samochód pozostaje umiarkowany. Ponadto odkształcenie plastyczne arkusza i odkształcenie sprężyste pasa zmniejszają przyspieszenie, któremu podlega ciało.

Nagłe zmiany na drodze (dziury w jezdni, czarna porzeczka, progi zwalniające) powodują wstrząsy. Te opony i zawieszenia pozwalają te wstrząsy być wchłaniane, zarówno dla wygody pasażerów, ale przede wszystkim, aby utrzymać dobry kontakt z drogą. Część elastyczną zapewnia ściśnięcie opon i sprężyn, część rozpraszającą zapewniają amortyzatory .

Materiały amortyzujące: Alphagel , Betagel .

Zachowanie się materiałów stałych przy uderzeniu

Zachowanie mechaniczne materiałów stałych zależy w dużej mierze od temperatury T i szybkości odkształcania . W zależności od materiału i warunków uderzenia, materiał może wykazywać ciągliwość , lepkość lub kruchość , z różnymi trybami rozpraszania energii: ${\ dot {\ varepsilon}}$

odkształcenie sprężyste (we wszystkich przypadkach): drgania , hałas;
odkształcenie plastyczne lub lepkoplastyczne: ostateczne odkształcenie i uwolnienie ciepła;
zerwanie .

Gdy szybkość odkształcenia jest bardzo duża, zazwyczaj gdy względna prędkość dwóch ciał jest duża, materiały na ogół przechodzą do domeny kruchej, a głównym sposobem rozpraszania jest pękanie . Następnie mówimy o wpływie .

Zobacz też

Powiązane artykuły