Тестове за въздействие. Феномен удар Изместване на точките при удар

Опит за анализиране на риска от нараняване от удари по главата с гол юмрук в сравнение с удари в боксова ръкавица.

Теория на въздействието.

Ударът в механиката е краткотрайно взаимодействие на телата, в резултат на което скоростите им се променят. Силата на удара зависи, според закона на Нютон, от ефективната маса на удрящото се тяло и неговото ускорение:

Ориз. 1 Крива на развитие на силата на удара във времето

F = m*a (1),

където
F - сила,
m е масата,
а - ускорение.

Ако разгледаме въздействието във времето, тогава взаимодействието продължава много кратко време – от десет хилядна (моментни квазиеластични удари) до десети от секундата (нееластични въздействия). Силата на удара в началото на удара бързо нараства до максималната си стойност, а след това пада до нула (фиг. 1). Максималната му стойност може да бъде много голяма. Основната мярка за ударно взаимодействие обаче не е силата, а ударният импулс, числено равен на площта под кривата F(t). Може да се изчисли като интеграл:

(2)

където
S - ударен импулс,
t1 и t2 са началното и крайното време на удара,
F(t) е зависимостта на силата на удара F от времето t.

Тъй като процесът на сблъсък продължава много кратко време, в нашия случай той може да се разглежда като мигновена промяна в скоростите на сблъскващите се тела.

В процеса на въздействие, както при всяко природно явление, трябва да се спазва законът за запазване на енергията. Следователно е естествено да се напише следното уравнение:

E1 + E2 = E'1 + E'2 + E1p + E2p (3)

където
E1 и E2 са кинетичните енергии на първото и второто тяло преди удара,
E'1 и E'2 - кинетични енергии след удар,
E1p и E2p са енергиите на загубите при удар в първото и второто тялод.

Връзката между кинетичната енергия след удара и енергията на загубите е един от основните проблеми в теорията на удара.

Последователността на механичните явления при удар е такава, че първо настъпва деформация на телата, при която кинетичната енергия на движението се превръща в потенциална енергия на еластична деформация. След това потенциалната енергия се преобразува обратно в кинетична енергия. В зависимост от това каква част от потенциалната енергия преминава в кинетична енергия и каква част се губи, разсейвайки се при нагряване и деформация, се разграничават три вида удар:

Абсолютно еластичен ударЦялата механична енергия се запазва. Това е идеализиран модел на сблъсък, но в някои случаи, например, в случай на удари на билярдна топка, моделът на удара е близък до идеално еластичен удар.
Абсолютно нееластичен удар– енергията на деформация се превръща изцяло в топлина. Пример: кацане в скокове и слизане, удряне на пластилинова топка в стена и пр. При абсолютно нееластичен удар скоростите на взаимодействащите тела след удара са равни (телата се слепват).
Частично нееластичен удар- част от енергията на еластичната деформация се превръща в кинетичната енергия на движението.

В действителност всички въздействия са или абсолютно, или частично нееластични. Нютон предложи да се характеризира нееластичното въздействие с така наречения фактор на възстановяване. То е равно на съотношението на скоростите на взаимодействащите тела след и преди удара. Колкото по-малък е този коефициент, толкова повече енергия се изразходва за некинетичните компоненти E1p и E2p (нагряване, деформация). Теоретично този коефициент не може да бъде получен, той се определя емпирично и може да бъде изчислен по следната формула:

където
v1 , v2 са скоростите на телата преди удара,
v'1, v'2 - след удара.

При k = 0 ударът ще бъде абсолютно нееластичен, а при k = 1 ще бъде абсолютно еластичен. Коефициентът на възстановяване зависи от еластичните свойства на сблъскващите се тела. Например, ще бъде различно, когато една тенис топка удря различни терени и ракети с различен вид и качество. Коефициентът на възстановяване не е само характеристика на материала, тъй като зависи и от скоростта на взаимодействие на удара - намалява с увеличаване на скоростта. Наръчниците дават стойности за коефициента на възстановяване за някои материали при скорости на удара по-малки от 3 m/s.

Биомеханика на ударните действия

Ударните в биомеханиката се наричат действия, резултатът от които се постига чрез механично въздействие. При ударните действия има:

замах назад- движение, което предхожда ударното движение и води до увеличаване на разстоянието между ударното звено на тялото и обекта, върху който се прилага ударът. Тази фаза е най-променлива.
шоково движение- от края на замаха до началото на удара.
Взаимодействие с въздействие (или действително въздействие)- сблъсък на сблъскващи се тела.
Движение след удар- движението на ударното звено на тялото след прекратяване на контакта с обекта, върху който е приложен ударът.

При механичен удар скоростта на тялото (например топка) след удара е толкова по-висока, колкото по-голяма е скоростта на удрящото звено непосредствено преди удара. При стачки в спорта такава зависимост не е необходима. Например, когато сервирате в тенис, увеличаването на скоростта на ракетата може да доведе до намаляване на скоростта на топката, тъй като масата на удара по време на удари, извършвани от спортиста, не е постоянна: зависи от координацията на неговите движения . Ако, например, удар се извършва чрез огъване на китката или с отпусната ръка, тогава само масата на ракетата и ръката ще взаимодействат с топката. Ако в момента на удара удрящата връзка е фиксирана от активността на мускулите-антагонисти и представлява сякаш едно твърдо тяло, тогава масата на цялата тази връзка ще участва във взаимодействието на удара.

Понякога атлетът хвърля два изстрела с една и съща скорост, но скоростта на топката или силата на удара е различна. Това се дължи на факта, че ударната маса не е същата. Стойността на ударната маса може да се използва като критерий за ефективността на ударната техника. Тъй като е доста трудно да се изчисли масата на удара, ефективността на взаимодействието на удара се оценява като съотношението на скоростта на снаряда след удара и скоростта на ударния елемент преди удара. Този индикатор е различен при различните видове удари. Например във футбола варира от 1,20 до 1,65. Зависи и от теглото на спортиста.

Някои спортисти, които имат много силен удар (в бокса, волейбола, футбола и т.н.) не се различават по голяма мускулна сила. Но те са в състояние да предадат висока скорост на удрящия сегмент и в момента на удара да взаимодействат с удареното тяло с голяма ударна маса.

Много ударни спортни действия не могат да се разглеждат като „чисти“ стачки, основата на теорията на които е изложена по-горе. В теорията на удара в механиката се приема, че ударът настъпва толкова бързо и силите на удара са толкова големи, че всички други сили могат да бъдат пренебрегнати. При много поразителни действия в спорта тези предположения не са оправдани. Времето на въздействие в тях, макар и кратко, все пак не може да бъде пренебрегнато; пътят на ударно взаимодействие, по който се движат заедно сблъскващите се тела по време на удара, може да достигне 20-30 cm.

Следователно при спортни ударни действия по принцип е възможно да се промени количеството на движението по време на удара поради действието на сили, които не са свързани със самия удар. Ако ударната връзка по време на удара се ускори допълнително поради мускулна активност, ударният импулс и съответно скоростта на излитане на снаряда се увеличават; ако се забави произволно, ударният импулс и скоростта на излитане се намаляват (това понякога е необходимо за точни съкратени удари, например при подаване на топката към партньор). Някои ударни ходове, при които допълнителната инерция по време на удара е много голяма, обикновено са нещо между хвърляне и удряне (това понякога се прави при второ преминаване във волейбола).

Координацията на движенията с най-мощните удари се подчинява на две изисквания:

комуникация с най-висока скорост към удрящото звено към момента на контакт с удареното тяло. В тази фаза на движение се използват същите методи за увеличаване на скоростта, както при други действия на движение;
увеличаване на ударната маса в момента на удара. Това се постига чрез "фиксиране" на отделните звена на удрящия сегмент чрез едновременно включване на мускулите антагонисти и увеличаване на радиуса на въртене. Например в бокса и карате силата на удар с дясната ръка се удвоява приблизително, ако оста на въртене минава близо до лявата раменна става, в сравнение с удари, при които оста на въртене съвпада с централната надлъжна ос на тялото .

Времето за въздействие е толкова кратко, че вече е невъзможно да се коригират допуснатите грешки. Следователно, точността на удара се осигурява решително от правилните действия по време на замах и ударно движение. Например във футбола позицията на опорния крак определя точността на целта за начинаещи с около 60-80%.

Тактиката на спортните състезания често изисква удари, които са неочаквани за врага („скрити“). Това се постига чрез извършване на удари без подготовка (понякога дори без замах), след измамни движения (финтове) и др. Биомеханичните характеристики на ударите се променят, тъй като те обикновено се извършват в такива случаи поради действието само на дистални сегменти ( удари на китката).

Дистално - [напр. край, фаланга] (дисталис) - краят на мускула или костта на крайника или цялата структура (фаланга, мускул) най-отдалечена от тялото.

Удар със и без боксова ръкавица.

Напоследък в някои спортни среди се разгоря сериозен дебат за по-голямата травма на мозъка от удари с боксова ръкавица, отколкото удари с гола ръка. Нека се опитаме да получим отговор на този въпрос, използвайки наличните данни от изследванията и елементарните закони на физиката.

Откъде могат да дойдат такива мисли? Смея да предполагам, че основно от наблюдения върху процеса на удряне на боксов чувал. Проведени са изследвания, в които Смит и Хемил, в своята работа, публикувана през 1986 г., измерват скоростта на юмрук на спортист и скоростта на боксова круша. Строго погледнато, опасността от сътресение се определя от количеството ускорение на главата, а не от скоростта. Въпреки това, според отчетената скорост на торбата, може само косвено да се прецени величината на ускорението, т.к. предполага се, че тази скорост е развита за кратък период от време на удар.

Чантата е удряна по три различни начина: с гол юмрук, с карате ръкавица и с боксова ръкавица. Действително, скоростта на чантата при удар с ръкавица беше с около 15% по-висока, отколкото при удар с юмрук. Помислете за физическия фон на изследването. Както бе споменато по-горе, всички удари са частично нееластични и част от енергията на ударната връзка се изразходва за остатъчната деформация на снаряда, останалата част от енергията се изразходва за придаване на кинетична енергия на снаряда. Делът на тази енергия се характеризира с коефициента на възстановяване.

Нека веднага направим резервация за по-голяма яснота, че при разглеждане на енергията на деформация и енергията на транслационното движение, голяма енергия на деформация играе положителна роля, т.к. остава по-малко енергия за движение напред. В случая говорим за еластични деформации, които не представляват опасност за здравето, докато енергията на транслационното движение е пряко свързана с ускорението и е опасна за мозъка.

Изчислете коефициента на възстановяване на боксовия чувал според данните, получени от Смит и Хемил. Масата на торбата беше 33 кг. Експерименталните резултати показват незначителни разлики в скоростта на юмрук за различните видове ръкавици (гол юмрук: 11,03±1,96 m/s, в карате ръкавица: 11,89±2,10 m/s, в боксова ръкавица: 11,57±3,43 m/s). Средната скорост на юмрука е 11,5 m/s. За различните видове ръкавици бяха открити разлики в инерцията на чантата. Удар с боксова ръкавица предизвиква по-голям импулс на чанта (53,73±15,35 Ns), отколкото удар с гол юмрук (46,4±17,40 Ns) или с ръкавица за карате (42,0±18,7 Ns), които имат почти равни стойности. За да определите скоростта на торбата от нейния импулс, трябва да разделите инерцията на торбата на нейната маса:

v = p/m (5)

където
v е скоростта на торбата,
p е инерцията на торбата,
m е масата на торбата.

Използвайки формулата за изчисляване на коефициента на възстановяване (4) и приемайки, че скоростта на юмрука след удара е нула, получаваме стойност за удар с гол юмрук около 0,12, т.е. k = 12%. За случай на удар с боксова ръкавица, k = 14%. Това потвърждава житейския ни опит – ударът в боксов чувал е почти напълно нееластичен и почти цялата енергия на удара се изразходва за неговата деформация.

Трябва да се отбележи отделно, че юмрукът в карате ръкавица имаше най-висока скорост. Инерцията на чантата при удар с карате ръкавица беше най-малка. Голите удари с юмрук в това проучване са били в средата. Това може да се обясни с факта, че спортистите се страхуваха да наранят ръката си и рефлекторно намалиха скоростта и силата на удара. При удар в карате ръкавица такъв страх не възниква.

Какво ще стане, ако те ударят в главата? Нека се обърнем към друго проучване от 2005 г. на Valilko, Viano и Beer, което изследва боксовите удари с ръкавици върху специално проектиран манекен (фиг. 2). В тази работа подробно са проучени всички параметри на удар и въздействие върху главата и шията на манекена. Вратът на манекена беше еластична метална пружина, така че този модел може да се разглежда като модел на боксьор, готов за удар с напрегнати мускули на врата. Нека използваме данните за движението напред на главата на манекена и да изчислим коефициента на възстановяване (k) за директен удар в главата.

Ориз. 2 Изследване на Валилко, Виано и Бира - боксьор удря манекен.

Средната скорост на ръката преди удара е 9,14 m/s, а средната скорост на главата след удара е 2,97 m/s. Така, съгласно същата формула (4), коефициентът на възстановяване k = 32%. Това означава, че 32% от енергията е отишла в кинетичното движение на главата, а 68% е влязла в деформацията на врата и ръкавицата. Говорейки за енергията на деформация на шията, не говорим за геометричната деформация (кривина) на цервикалната област, а за енергията, която мускулите на шията (в случая пружината) изразходват, за да поддържат главата неподвижна. Всъщност това е енергията на устойчивост на удар. За деформацията на лицето на манекена, както и на човешкия лицев череп, не може да се говори. Човешките кости са много здрав материал. В табл. 1 показва коефициента на еластичност (модула на Янг) на няколко материала. Колкото по-голям е този коефициент, толкова по-твърд е материалът. Таблицата показва, че по отношение на твърдостта костта е малко по-ниска от бетона.

Таблица 1. Коефициенти на еластичност (модули на Янг) на различни материали.

Какъв ще бъде факторът на възстановяване при удар в главата с гол юмрук? Няма проучвания за това. Но нека се опитаме да разберем възможните последствия. При удари, както и при удряне с ръкавица, по-голямата част от енергията ще бъде поета от мускулите на врата, при условие, разбира се, че са напрегнати. В работата на Валилко, Виано и Бира е невъзможно да се раздели енергията на напрежението на ръкавицата от енергията на напрежението на врата на манекена, но може да се предположи, че лъвският дял от общата енергия на напрежение е отишъл в деформация на врата. Следователно може да се предположи, че при удряне с гол юмрук разликата в коефициента на възстановяване няма да надвишава 2-5% в сравнение с удрянето с ръкавица, какъвто беше случаят в работата на Смит и Хемил, където разликата беше 2%. Очевидно разликата от 2% не е значителна.

Горните изчисления са направени на базата на данни за праволинейното ускорение на главата след удара. Но въпреки цялата си относителна сложност, те са много далече от прогнозирането на травматичността на удара. Английският физик Холборн, който работи с гел модели на мозъка през 1943 г., е един от първите, които изтъкват въртеливото ускорение на главата като основен параметър на мозъчната травма. Ommai et al. съобщават, че въртеливото ускорение от 4500 rad/s2 води до сътресение и тежко нараняване на аксона. По-ранна работа на същия автор посочва, че ускорението на въртене над 1800 rad/s2 създава 50% шанс за сътресение. Статията на Валилко, Виано и Бира дава параметрите на 18 различни удара. Ако вземем един и същ боксьор и неговия удар със скорост на ръката 9,5 m / s и удар със скорост 6,7 m / s, тогава в първия случай коефициентът на възстановяване е 32%, а във втория вече е 49 %. Според всички наши изчисления се оказва, че вторият удар е по-травматичен: по-висок коефициент на възстановяване (повече енергия се изразходва при движение на главата напред), голяма ефективна маса (2,1 кг и 4,4 кг), малко по-висока ускорение на главата (67 g и 68 g ). Ако обаче сравним ускорението на въртене на главата, произведено от тези два удара, ще видим, че първият удар е по-травматичен (съответно 7723 rad/s2 и 5209 rad/s2). Освен това разликата в числата е доста значителна. Този факт показва, че травматичността на удара зависи от голям брой променливи и не може да се ръководи само от импулса p = mv при оценка на ефективността на удара. От голямо значение тук е мястото на удара, така че да предизвика най-голямо завъртане на главата. Във връзка с горните данни се оказва, че факторът боксова ръкавица при наранявания и сътресения не играе основна роля.

Обобщавайки нашата статия, отбелязваме следното. Факторите, влияещи върху мозъчната травма при удряне със и без боксова ръкавица, не се различават значително и могат да се променят както в едната, така и в другата посока, в зависимост от боксьора и вида на удара. Много по-значими фактори, влияещи на сътресението, лежат извън разглежданата равнина, като вида и местоположението на удара в главата, които определят нейния ротационен момент.

В същото време не бива да забравяме, че боксовите ръкавици са предназначени предимно за защита на меките тъкани на лицето. Ударите без ръкавици водят до увреждане на костите, ставите и меките тъкани както на нападателя, така и на атакувания спортист. Най-честата и болезнена от тях е травма, наречена "кокал на боксьора".

Кокалчето на боксьора е добре познат термин в спортната медицина, използван за описване на травма на ръката – увреждане на ставната капсула на метакарпофалангеалната става (обикновено II или III), а именно влакната, които държат сухожилието на мускула екстензор на пръстите.

Опасността от заразяване с различни инфекции, включително хепатит С или ХИВ вируси, и куп други неприятни последици, включително непривлекателен външен вид, категорично отхвърлят тезата, че борбата с голи ръце е по-безопасна за здравето.

Препратки:

1. Ламаш Б.Е. Лекции по биомеханика. https://www.dvgu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
2. Smith PK, Hamill J. Ефектът от типа на пробиващите ръкавици и нивото на умения върху предаването на инерцията. 1986, J. Hum. mov. Stud том 12, стр. 153-161.
3. Walilko T.J., Viano D.C. и Bir C.A. Биомеханика на главата за олимпийски боксьорски удари в лицето. 2005, Br J Sports Med. т.39, стр.710-719
4 Холбърн A.H.S. Механика на нараняване на главата. 1943, Ланцет. том 2, стр. 438-441.
5. Ommaya A.K., Goldsmith W., Thibault L. Биомеханика и невропатология на наранявания на главата при възрастни и деца. 2002, Br J Neurosurg. т.16, бр.3, с.220–242.

6. sportmedicine.ru

В механиката ударът е механичното действие на материалните тела, което води до крайно изменение на скоростите на техните точки за безкрайно малък период от време. Ударно движение е движение, което възниква в резултат на еднократно взаимодействие на тяло (среда) с разглежданата система, при условие че най-малкият период на собствени трептения на системата или нейната времева константа са съизмерими или по-големи от времето на взаимодействие.

При ударно взаимодействие в разглежданите точки се определят ударните ускорения, скоростта или преместването. Заедно такива въздействия и реакции се наричат процеси на въздействие. Механичните удари могат да бъдат единични, множествени и сложни. Единични и многократни ударни процеси могат да засегнат апарата в надлъжна, напречна и всякакви междинни посоки. Сложните ударни натоварвания действат върху обект едновременно в две или три взаимно перпендикулярни равнини. Ударните натоварвания върху самолета могат да бъдат както непериодични, така и периодични. Появата на ударни натоварвания е свързана с рязка промяна в ускорението, скоростта или посоката на движение на самолета. Най-често в реални условия има сложен единичен ударен процес, който представлява комбинация от обикновен ударен импулс с насложени трептения.

Основните характеристики на шоковия процес:

закони за промяна във времето на ударно ускорение a(t), скорост V(t) и преместване X(t) върхово ударно ускорение;
продължителност на фронта на ударното ускорение Tf - интервал от време от момента на възникване на ударното ускорение до момента, съответстващ на неговата пикова стойност;
коефициентът на насложени флуктуации на ударното ускорение - съотношението на общата сума от абсолютните стойности на нарастванията между съседните и екстремните стойности на ударното ускорение към удвоената му пикова стойност;
импулс на ударно ускорение - интегралът от ускорението на удара за време, равно на продължителността на неговото действие.

Според формата на кривата на функционалната зависимост на параметрите на движението, ударните процеси се разделят на прости и сложни. Простите процеси не съдържат високочестотни компоненти и техните характеристики се апроксимират с прости аналитични функции. Името на функцията се определя от формата на кривата, апроксимираща зависимостта на ускорението от времето (полусинусоидална, козанусоидална, правоъгълна, триъгълна, триъгълна, трапецовидна и др.).

Механичният удар се характеризира с бързо освобождаване на енергия, което води до локални еластични или пластични деформации, възбуждане на вълни на напрежение и други ефекти, понякога водещи до неизправност и разрушаване на конструкцията на самолета. Ударното натоварване, приложено към самолета, възбужда бързо затихнали естествени трептения в него. Стойността на претоварване при удар, естеството и скоростта на разпределение на напрежението върху конструкцията на самолета се определят от силата и продължителността на удара и естеството на промяната в ускорението. Ударът, действащ върху самолета, може да причини неговото механично разрушаване. В зависимост от продължителността, сложността на ударния процес и максималното му ускорение по време на изпитването се определя степента на твърдост на конструктивните елементи на самолета. Простото въздействие може да причини разрушаване поради появата на силни, макар и краткотрайни пренапрежения в материала. Сложното въздействие може да доведе до натрупване на микродеформации на умора. Тъй като конструкцията на самолета има резонансни свойства, дори обикновен удар може да предизвика осцилаторна реакция в неговите елементи, също придружена от явления на умора.

Механичните претоварвания причиняват деформация и счупване на частите, разхлабване на съединения (заварени, резбови и нитовани), отвинтване на винтове и гайки, движение на механизми и органи за управление, в резултат на което се променя настройката и настройката на устройствата и се появяват други неизправности.

Борбата срещу вредното въздействие на механичните претоварвания се осъществява по различни начини: увеличаване на здравината на конструкцията, използване на части и елементи с повишена механична якост, използване на амортисьори и специални опаковки и рационално поставяне на устройства. Мерките за защита от вредното въздействие на механичните претоварвания са разделени на две групи:

мерки, насочени към осигуряване на необходимата механична якост и твърдост на конструкцията;
мерки, насочени към изолиране на конструктивни елементи от механични въздействия.

В последния случай се използват различни амортисьори, изолационни уплътнения, компенсатори и амортисьори.

Общата задача на изпитването на самолет за ударни натоварвания е да се провери способността на самолета и всички негови елементи да изпълняват функциите си по време и след удар, т.е. поддържат техническите си параметри по време на удар и след него в границите, посочени в нормативните и технически документи.

Основните изисквания за изпитване на удар в лабораторни условия са максималното приближаване на резултата от тестовото въздействие върху обект към ефекта на реално въздействие в естествени условия на работа и възпроизводимост на въздействието.

При възпроизвеждане на режими на ударно натоварване в лабораторни условия се налагат ограничения върху формата на импулса на моментното ускорение като функция на времето (фиг. 2.50), както и върху допустимите граници на отклонения във формата на импулса. Почти всеки ударен импулс на лабораторния стенд е придружен от пулсиране, което е резултат от резонансни явления в барабанни машини и спомагателно оборудване. Тъй като спектърът на ударния импулс е основно характеристика на разрушителния ефект на удара, дори малка насложена пулсация може да направи резултатите от измерването ненадеждни.

Изпитвателните съоръжения, които симулират отделни удари, последвани от вибрации, представляват специален клас оборудване за механично изпитване. Ударните стойки могат да бъдат класифицирани по различни критерии (фиг. 2.5!):

I - според принципа на образуване на ударен импулс;

II - по естество на изпитванията;

III - според вида на възпроизводимото ударно натоварване;

IV - според принципа на действие;

V - според източника на енергия.

Най-общо схемата на ударната стойка се състои от следните елементи (фиг. 2.52): изпитвателният обект, монтиран върху платформа или контейнер, заедно със сензор за ударно претоварване; средство за ускорение за съобщаване на необходимата скорост на обекта; спирачно устройство; системи за управление; записващо оборудване за регистриране на изследваните параметри на обекта и закона за промяна на ударното претоварване; първични преобразуватели; спомагателни устройства за регулиране на режимите на работа на изпитвания обект; захранвания, необходими за функционирането на изпитвания обект и записваща техника.

Най-простата стойка за изпитване на удар в лабораторни условия е стенд, който работи на принципа на изпускане на тестов обект, фиксиран върху карета от определена височина, т.е. използвайки земната гравитация за разпръскване. В този случай формата на ударния импулс се определя от материала и формата на сблъскващите се повърхности. На такива щандове е възможно да се осигури ускорение до 80000 m/s2. На фиг. 2.53, a и b са показани принципно възможните схеми на такива стойки.

В първата версия (фиг. 2.53, а) специална гърбица 3 със зъб на тресчотка се задвижва от двигател. Когато гърбицата достигне максималната височина H, масата 1 с тестовия обект 2 пада върху спирачните устройства 4, които й нанасят удар. Претоварването при удар зависи от височината на падане H, твърдостта на спирачните елементи h, общата маса на масата и изпитвания обект M и се определя от следната зависимост:

Променяйки тази стойност, можете да получите различни претоварвания. Във втория вариант (фиг. 2.53, б) стойката работи по метода на капка.

Изпитателните стендове, използващи хидравлично или пневматично задвижване за ускоряване на каретата, са практически независими от действието на гравитацията. На фиг. 2.54 показва два варианта за ударни пневматични стойки.

Принципът на действие на стойката с въздушен пистолет (фиг. 2.54, а) е както следва. Сгъстен газ се подава към работната камера /. При достигане на предварително определеното налягане, което се контролира от манометъра, автоматът 2 освобождава контейнера 3, където се поставя тестовият обект. При излизане от цевта 4 на въздушния пистолет контейнерът влиза в контакт с устройството 5, което ви позволява да измерите скоростта на контейнера. Въздушният пистолет е прикрепен към опорните стълбове чрез амортисьори b. Посоченият закон за спиране на амортисьора 7 се осъществява чрез промяна на хидравличното съпротивление на течащата течност 9 в пролуката между специално профилираната игла 8 и отвора в амортисьора 7.

Структурната схема на друг пневматичен ударен стенд (фиг. 2.54, b) се състои от тестов обект 1, каретка 2, върху която е монтиран тестовият обект, уплътнение 3 и спирачно устройство 4, клапани 5, които ви позволяват да създавате определеното налягане на газа пада върху буталото b и системите за подаване на газ 7. Спирачното устройство се задейства веднага след сблъсъка на каретката и накладката, за да предотврати обръщането на каретата и изкривяването на ударните вълни. Управлението на такива щандове може да бъде автоматизирано. Те могат да възпроизвеждат широк спектър от ударни натоварвания.

Като ускорително устройство могат да се използват гумени амортисьори, пружини и в някои случаи линейни асинхронни двигатели.

Възможностите на почти всички амортисьори се определят от конструкцията на спирачните устройства:

1. Ударът на тестов обект с твърда плоча се характеризира с забавяне поради възникването на еластични сили в зоната на контакт. Този метод на спиране на тестовия обект дава възможност да се получат големи стойности на претоварвания с малък фронт на техния растеж (фиг. 2.55, а).

2. За получаване на претоварвания в широк диапазон, от десетки до десетки хиляди единици, с време на нарастване от десетки микросекунди до няколко милисекунди, се използват деформируеми елементи под формата на плоча или уплътнение, лежащи върху твърда основа. Материалите на тези уплътнения могат да бъдат стомана, месинг, мед, олово, гума и др. (фиг. 2.55, б).

3. За осигуряване на всеки специфичен (зададен) закон за промяна на n и t в малък диапазон се използват деформируеми елементи под формата на накрайник (трошачка), който се монтира между плочата на ударната стойка и изпитвания обект (фиг. 2.55, в).

4. За възпроизвеждане на удар с относително голям път на забавяне се използва спирачно устройство, състоящо се от оловна, пластично деформируема пластина, разположена върху твърдата основа на стойката, и твърд връх от съответния профил, който се въвежда в нея ( Фиг. 2.55, г), фиксиран върху обекта или платформата на стойката. Такива спирачни устройства позволяват да се получат претоварвания в широк диапазон от n(t) с кратко време на нарастване, до десетки милисекунди.

5. Като спирачно устройство може да се използва еластичен елемент под формата на пружина (фиг. 2.55, д), монтиран върху подвижната част на ударната стойка. Този тип спиране осигурява относително малки полусинусови претоварвания с продължителност, измерена в милисекунди.

6. Пробиваема метална плоча, фиксирана по контура в основата на инсталацията, в комбинация с твърд връх на платформата или контейнера, осигурява относително малки претоварвания (фиг. 2.55, д).

7. Деформируемите елементи, монтирани върху подвижната платформа на стойката (фиг. 2.55, g), в комбинация с твърд коничен уловител, осигуряват дълготрайни претоварвания с време на нарастване до десетки милисекунди.

8. Спирачно устройство с деформируема шайба (фиг. 2.55, h) дава възможност за получаване на големи пътища на забавяне за обект (до 200 - 300 mm) с малки деформации на шайбата.

9. Създаването в лабораторни условия на интензивни ударни импулси с големи фронтове е възможно при използване на пневматично спирачно устройство (фиг. 2.55, s). Предимствата на пневматичния амортисьор включват неговото действие за многократна употреба, както и възможността за възпроизвеждане на ударни импулси с различни форми, включително такива със значителен предварително определен фронт.

10. В практиката на ударно изпитване широко се използва спирачно устройство под формата на хидравличен амортисьор (виж фиг. 2.54, а). Когато тестовият обект удари амортисьора, неговият прът се потапя в течността. Течността се изтласква през точката на стеблото според закона, определен от профила на регулиращата игла. Чрез промяна на профила на иглата е възможно да се реализират различни видове спирачен закон. Профилът на иглата може да се получи чрез изчисление, но е твърде трудно да се вземе предвид, например, наличието на въздух в кухината на буталото, силите на триене в уплътнителните устройства и т.н. Следователно изчисленият профил трябва да бъде експериментално коригиран. По този начин изчислително-експерименталният метод може да се използва за получаване на профил, необходим за прилагането на всеки спирачен закон.

Изпитването на удар в лабораторни условия поставя редица специални изисквания към монтажа на обекта. Така например максимално допустимото движение в напречна посока не трябва да надвишава 30% от номиналната стойност; както при изпитвания за устойчивост на удар, така и при изпитвания на ударна якост продуктът трябва да може да бъде монтиран в три взаимно перпендикулярни позиции с възпроизвеждане на необходимия брой ударни импулси. Еднократните характеристики на измервателната и регистриращата апаратура трябва да са идентични в широк честотен диапазон, което гарантира правилното регистриране на съотношенията на различните честотни компоненти на измервания импулс.

Поради разнообразието на трансферни функции на различните механични системи, един и същ ударен спектър може да бъде причинен от ударен импулс с различна форма. Това означава, че няма съответствие едно към едно между някаква функция на времето за ускорение и ударния спектър. Следователно от техническа гледна точка е по-правилно да се определят спецификации за ударни тестове, които съдържат изисквания за ударния спектър, а не за времевата характеристика на ускорението. На първо място, това се отнася до механизма на разрушаване на материалите от умора поради натрупване на цикли на натоварване, които могат да бъдат различни от тест до тест, въпреки че пиковите стойности на ускорението и напрежението ще останат постоянни.

При моделиране на шокови процеси е целесъобразно да се състави система за определяне на параметри според идентифицираните фактори, необходими за доста пълно определяне на желаната стойност, която понякога може да бъде намерена само експериментално.

Като се има предвид въздействието на масивно, свободно движещо се твърдо тяло върху деформируем елемент с относително малък размер (например върху спирачно устройство на пейка), фиксиран върху твърда основа, е необходимо да се определят параметрите на процеса на удар и установяване на условията, при които тези процеси ще бъдат подобни един на друг. В общия случай на пространственото движение на тяло могат да се съставят шест уравнения, три от които дават закона за запазване на импулса, две - законите за запазване на масата и енергията, шестото е уравнението на състоянието. Тези уравнения включват следните величини: три компонента на скоростта Vx Vy \ Vz> плътност p, налягане p и ентропия. Пренебрегвайки дисипативните сили и приемайки, че състоянието на деформируемия обем е изоентропно, може да се изключи ентропията от броя на определящите параметри. Тъй като се разглежда само движението на центъра на масата на тялото, е възможно компонентите на скоростта Vx, Vy да не се включват сред определящите параметри; Vz и координати на точки L", Y, Z вътре в деформируемия обект. Състоянието на деформируемия обем ще се характеризира със следните определящи параметри:

плътност на материала p;
налягане p, което е по-целесъобразно да се вземе предвид чрез стойността на максималната локална деформация и Otmax, като се разглежда като обобщен параметър на силовата характеристика в контактната зона;
началната скорост на удара V0, която е насочена по нормалата към повърхността, върху която е монтиран деформируемият елемент;
текущо време t;
телесно тегло t;
ускорение на свободно падане g;
модулът на еластичност на материалите E, тъй като състоянието на напрежение на тялото при удар (с изключение на зоната на контакт) се счита за еластично;
характерен геометричен параметър на тялото (или деформируемия елемент) D.

В съответствие с TS-теоремата, осем параметъра, три от които имат независими измерения, могат да се използват за съставяне на пет независими безразмерни комплекса:

Безразмерните комплекси, съставени от определените параметри на ударния процес, ще бъдат някои функции на независимите безразмерни комплекси P1-P5.

Параметрите, които трябва да бъдат определени, включват:

текуща локална деформация а;
скорост на тялото V;
контактна сила P;
напрежение в тялото а.

Следователно можем да напишем функционални отношения:

Видът на функциите /1, /2, /e, /4 може да се установи експериментално, като се вземе предвид голям брой определящи параметри.

Ако при удар не се появят остатъчни деформации в участъците на тялото извън контактната зона, тогава деформацията ще има локален характер и следователно комплексът R5 = pY^/E може да бъде изключен.

Комплексът Jl2 = Pttjjjax) ~ Cm се нарича коефициент на относителна телесна маса.

Силовият коефициент на устойчивост на пластична деформация Cp е пряко свързан с индекса на силовата характеристика N (коефициентът на податливост на материала, в зависимост от формата на сблъскващите се тела) чрез следната зависимост:

където p е намалената плътност на материалите в контактната зона; Cm = m/(pa?) е намалената относителна маса на сблъскващите се тела, която характеризира отношението на тяхната редуцирана маса M към намалената маса на деформируемия обем в контактната зона; xV е безразмерен параметър, характеризиращ относителната работа на деформация.

Функцията Cp - /z (R1 (Rr, R3, R4) може да се използва за определяне на претоварвания:

Ако осигурим равенството на числените стойности на безразмерните комплекси IJlt R2, R3, R4 за два ударни процеса, тогава тези условия, т.е.

ще бъдат критерии за сходството на тези процеси.

Когато тези условия са изпълнени, числените стойности на функциите /b/g./z» L» me- също ще бъдат еднакви в подобни моменти от време -V CtZoimax-const; ^r= const; Cp = const, което дава възможност да се определят параметрите на един процес на въздействие чрез просто преизчисляване на параметрите на друг процес. Необходимите и достатъчни изисквания за физическото моделиране на процесите на въздействие могат да се формулират, както следва:

Работните части на модела и естествения обект трябва да са геометрично сходни.
Безразмерните комплекси, съставени от определящи параметри, трябва да отговарят на условие (2.68). Въвеждане на мащабиращи фактори.

Трябва да се има предвид, че при моделиране само на параметрите на ударния процес, напрежените състояния на телата (естествени и моделни) задължително ще бъдат различни.

Механизъм на удар.В механиката на абсолютно твърдо тяло ударът се разглежда като скокообразен процес, чиято продължителност е безкрайно малка. По време на удара в точката на контакт на сблъскващите се тела възникват големи, но моментално действащи сили, водещи до крайно изменение на импулса. В реалните системи крайните сили винаги действат през краен интервал от време и сблъсъкът на две движещи се тела е свързан с тяхната деформация близо до точката на контакт и разпространението на вълна на компресия вътре в тези тела. Продължителността на въздействието зависи от много физически фактори: еластичните характеристики на материалите на сблъскващите се тела, тяхната форма и размер, относителната скорост на приближаване и др.

Промяната в ускорението с времето обикновено се нарича импулс за шоково ускорение или импулс на удар, а законът за промяна на ускорението с времето се нарича форма на импулс на удар. Основните параметри на ударния импулс включват пиковото шоково ускорение (претоварване), продължителността на ударното ускорение и формата на импулса.

Има три основни типа реакция на продукта на ударни натоварвания:

* балистичен (квазизатихващ) режим на възбуждане (периодът на собствените трептения на EI е по-голям от продължителността на импулса на възбуждане);

* квазирезонансен режим на възбуждане (периодът на собствените трептения на EI е приблизително равен на продължителността на импулса на възбуждане);

* статичен режим на възбуждане (периодът на собствените трептения на EI е по-малък от продължителността на импулса на възбуждане).

В балистичен режим максималната стойност на ЕМ ускорението винаги е по-малка от пиковата ускорение на ударния импулс. Квазирезонансният режим на квазирезонансно възбуждане е най-твърд по отношение на величината на възбудените ускорения (m е повече от 1). В статичен режим на възбуждане, реакцията на ED напълно повтаря действащия импулс (m=1), резултатите от теста не зависят от формата и продължителността на импулса. Тестовете в статичната област са еквивалентни на тестове за ефектите на линейното ускорение, тъй като може да се разглежда като удар с безкрайна продължителност.

Тестовете за падане се извършват в квазирезонансен режим на възбуждане. Ударната якост се оценява от целостта на дизайна на електроцентралата (без пукнатини, чипове).

Изпитванията за удар се извършват след изпитвания на удар при електрическо натоварване, за да се провери способността на ED да изпълнява функциите си при условия на механичен удар.

В допълнение към механичните ударни стойки се използват електродинамични и пневматични ударни стойки. В електродинамичните стендове през възбуждащата бобина на подвижната система се пропуска импулс на ток, чиято амплитуда и продължителност се определят от параметрите на ударния импулс. На пневматичните стойки ускорението при удар се получава, когато масата се сблъска със снаряд, изстрелян от въздушно оръжие.

Характеристиките на ударните стойки варират в широки граници: товароносимост, товароносимост - от 1 до 500 кг, брой удари в минута (регулируем) - от 5 до 120, максимално ускорение - от 200 до 6000 g, продължителност на ударите - от 0,4 до 40 ms