Ispitivanja uticaja. Fenomen udarca Pomicanje tačaka pri udaru

Pokušaj analize rizika od ozljeda od udaraca u glavu golom šakom, u poređenju sa udarcima u boksersku rukavicu.

Teorija uticaja.

Udarac u mehanici je kratkotrajna interakcija tijela, uslijed koje se mijenjaju njihove brzine. Udarna sila zavisi, prema Newtonovom zakonu, od efektivne mase udarnog tijela i njegovog ubrzanja:

Rice. 1 Kriva razvoja udarne sile u vremenu

F = m*a (1),

gdje
F - snaga,
m je masa,
a - ubrzanje.

Ako uzmemo u obzir udar u vremenu, onda interakcija traje vrlo kratko - od desethiljaditih (trenutni kvazielastični udari) do desetinki sekunde (neelastični udari). Udarna sila na početku udara brzo raste do svoje maksimalne vrijednosti, a zatim pada na nulu (slika 1). Njegova maksimalna vrijednost može biti veoma velika. Međutim, glavna mjera udarne interakcije nije sila, već udarni impuls numerički jednak površini ispod F(t) krive. Može se izračunati kao integral:

(2)

gdje
S - udarni impuls,
t1 i t2 su vrijeme početka i završetka udara,
F(t) je zavisnost udarne sile F o vremenu t.

Kako proces sudara traje vrlo kratko, u našem slučaju se može smatrati trenutnom promjenom brzina sudarajućih tijela.

U procesu udara, kao iu svakom prirodnom fenomenu, mora se poštovati zakon održanja energije. Stoga je prirodno napisati sljedeću jednačinu:

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

gdje
E1 i E2 su kinetičke energije prvog i drugog tijela prije udara,
E'1 i E'2 - kinetičke energije nakon udara,
E1p i E2p su energije gubitaka pri udaru u prvom i drugom tijelu e.

Odnos između kinetičke energije nakon udara i energije gubitaka jedan je od glavnih problema u teoriji udara.

Redoslijed mehaničkih pojava pri udaru je takav da prvo dolazi do deformacije tijela, pri čemu se kinetička energija kretanja pretvara u potencijalnu energiju elastične deformacije. Potencijalna energija se zatim ponovo pretvara u kinetičku energiju. U zavisnosti od toga koji dio potencijalne energije prelazi u kinetičku energiju, a koji dio gubi, raspršujući se zagrijavanjem i deformacijom, razlikuju se tri vrste udara:

Apsolutno elastičan udar Sva mehanička energija je očuvana. Ovo je idealizirani model sudara, međutim, u nekim slučajevima, na primjer, u slučaju udara bilijarske lopte, uzorak udara je blizak savršeno elastičnom udaru.
Apsolutno neelastičan udar– energija deformacije se u potpunosti pretvara u toplinu. Primjer: doskok u skokovima i silazak, udaranje plastelinske loptice o zid, itd. Kod apsolutno neelastičnog udara, brzine tijela u interakciji nakon udara su jednake (tela se drže zajedno).
Djelomično neelastičan udar- dio energije elastične deformacije pretvara se u kinetičku energiju kretanja.

U stvarnosti, svi uticaji su ili apsolutno ili djelimično neelastični. Newton je predložio karakterizaciju neelastičnog utjecaja takozvanim faktorom oporavka. On je jednak omjeru brzina tijela u interakciji nakon i prije udara. Što je ovaj koeficijent manji, to se više energije troši na nekinetičke komponente E1p i E2p (zagrijavanje, deformacija). Teoretski, ovaj koeficijent se ne može dobiti, on se utvrđuje empirijski i može se izračunati pomoću sljedeće formule:

gdje
v1, v2 su brzine tijela prije udara,
v'1, v'2 - nakon udara.

Pri k = 0 udar će biti apsolutno neelastičan, a pri k = 1 apsolutno elastičan. Faktor oporavka ovisi o elastičnim svojstvima sudarajućih tijela. Na primjer, drugačije će biti kada teniska loptica udari u različite podloge i rekete različitih vrsta i kvaliteta. Koeficijent oporavka nije samo karakteristika materijala, jer ovisi i o brzini interakcije udarca - smanjuje se s povećanjem brzine. Priručnici daju vrijednosti faktora oporavka za neke materijale za brzine udara manje od 3 m/s.

Biomehanika udarnih dejstava

Udaraljke se u biomehanici nazivaju radnje čiji se rezultat postiže mehaničkim udarom. U udarnim akcijama postoje:

backswing- pokret koji prethodi udarnom kretanju i dovodi do povećanja udaljenosti između udarne karike tijela i predmeta na koji se udar primjenjuje. Ova faza je najvarijabilnija.
udarni pokret- od kraja zamaha do početka udarca.
Interakcija uticaja (ili stvarni uticaj)- sudara sudarajućih tijela.
Kretanje nakon udara- kretanje udarne karike tijela nakon prestanka kontakta sa predmetom na koji je udar primijenjen.

Kod mehaničkog udara, brzina tijela (na primjer, lopte) nakon udarca je veća, što je veća brzina udarne karike neposredno prije udara. Kod štrajkova u sportu takva zavisnost nije neophodna. Na primjer, kada servirate u tenisu, povećanje brzine reketa može dovesti do smanjenja brzine loptice, budući da masa udarca tijekom udaraca koje izvodi sportaš nije konstantna: ovisi o koordinaciji njegovih pokreta. . Ako se, na primjer, udarac izvodi savijanjem ručnog zgloba ili opuštenom rukom, tada će samo masa reketa i šake komunicirati s loptom. Ako je u trenutku udara udarna karika fiksirana aktivnošću mišića antagonista i predstavlja, takoreći, jedno čvrsto tijelo, tada će masa cijele ove karike sudjelovati u interakciji udarca.

Ponekad sportista baci dva udarca istom brzinom, ali je brzina lopte ili snaga udarca različita. To je zbog činjenice da udarna masa nije ista. Vrijednost udarne mase može se koristiti kao kriterij za efikasnost udarne tehnike. Budući da je prilično teško izračunati udarnu masu, efektivnost udarne interakcije se procjenjuje kao omjer brzine projektila nakon udara i brzine udarnog elementa prije udara. Ovaj indikator se razlikuje u različitim vrstama štrajkova. Na primjer, u fudbalu varira od 1,20 do 1,65. Zavisi i od težine sportiste.

Neki sportisti koji imaju veoma jak udarac (u boksu, odbojci, fudbalu itd.) ne razlikuju se po velikoj snazi mišića. Ali oni su u stanju da prenesu veliku brzinu udarnom segmentu i, u trenutku udara, stupe u interakciju sa udarenim telom sa velikom udarnom masom.

Mnoge udarne sportske akcije ne mogu se smatrati "čistim" štrajkom, čija je osnova teorije iznesena gore. U teoriji udara u mehanici pretpostavlja se da se udar događa tako brzo i da su udarne sile toliko velike da se sve ostale sile mogu zanemariti. U mnogim udarnim akcijama u sportu ove pretpostavke nisu opravdane. Vrijeme udara u njima, iako kratko, ipak se ne može zanemariti; putanja interakcije udara, duž koje se sudarajuća tijela kreću zajedno tokom udara, može doseći 20-30 cm.

Stoga je u sportskim udarnim akcijama, u principu, moguće promijeniti količinu kretanja pri udaru uslijed djelovanja sila koje nisu povezane sa samim udarom. Ako se udarna karika pri udaru dodatno ubrza zbog mišićne aktivnosti, povećava se udarni impuls i, shodno tome, brzina odlaska projektila; ako se proizvoljno uspori, udarni impuls i brzina uzleta se smanjuju (ovo je ponekad potrebno za precizne skraćene udarce, na primjer, prilikom dodavanja lopte partneru). Neki udarni potezi, u kojima je dodatni dobitak zamaha tokom udaranja vrlo velik, općenito su nešto između bacanja i udaranja (ovo se ponekad radi u drugom dodavanju u odbojci).

Koordinacija pokreta sa najsnažnijim udarcima podliježe dva zahtjeva:

komunikacija najveće brzine do udarne karike do trenutka kontakta sa udarenim tijelom. U ovoj fazi kretanja koriste se iste metode povećanja brzine kao i u drugim pokretnim radnjama;
povećanje udarne mase u trenutku udara. To se postiže "fiksiranjem" pojedinačnih karika udarnog segmenta istovremenim uključivanjem mišića antagonista i povećanjem radijusa rotacije. Na primjer, u boksu i karateu, sila udarca desnom rukom se približno udvostručuje ako os rotacije prolazi blizu lijevog ramenog zgloba, u usporedbi s udarcima u kojima se os rotacije poklapa sa središnjom uzdužnom osom tijela. .

Vrijeme udara je toliko kratko da je već nemoguće ispraviti učinjene greške. Stoga je tačnost udarca presudno osigurana ispravnim radnjama tokom zamaha i udarnog pokreta. Na primjer, u fudbalu položaj potporne noge određuje tačnost cilja za početnike za oko 60-80%.

Taktika sportskih takmičenja često zahtijeva udare koji su neočekivani za neprijatelja („skriveni“). To se postiže izvođenjem udaraca bez pripreme (ponekad i bez zamaha), nakon varljivih pokreta (finte) itd. Biomehaničke karakteristike udaraca se mijenjaju, jer se u takvim slučajevima najčešće izvode djelovanjem samo distalnih segmenata (ručni zglob). štrajkovi).

Distalno - [pr. kraj, falanga] (distalis) - kraj mišića ili kosti ekstremiteta ili cijele strukture (falanga, mišić) najudaljeniji od tijela.

Udarac sa i bez bokserske rukavice.

Nedavno se u nekim sportskim krugovima razbuktala ozbiljna debata o većoj traumi mozga od udaraca bokserskom rukavicom od udaraca golom rukom. Pokušajmo dobiti odgovor na ovo pitanje koristeći dostupne podatke istraživanja i elementarne zakone fizike.

Otkud takve misli? Usuđujem se da to sugerišem uglavnom iz posmatranja procesa udaranja u boksersku vreću. Provedene su studije u kojima su Smith i Hemil, u svom radu objavljenom 1986. godine, mjerili brzinu šake sportiste i brzinu vreće za boksanje. Strogo govoreći, opasnost od potresa mozga određena je količinom ubrzanja glave, a ne brzinom. Međutim, prema prijavljenoj brzini torbe može se samo posredno suditi o veličini ubrzanja, jer pretpostavlja se da je ova brzina razvijena u kratkom vremenskom periodu udara.

Vreća je udarana na tri različita načina: golom šakom, karate rukavicom i bokserskom rukavicom. Zaista, brzina torbe kada je udarena rukavicom bila je oko 15% veća nego kada je udarena šakom. Uzmite u obzir fizičku pozadinu studije. Kao što je gore navedeno, svi udari su djelimično neelastični i dio energije udarne karike se troši na zaostalu deformaciju projektila, a ostatak energije se troši na prenošenje kinetičke energije projektilu. Udio ove energije karakterizira faktor oporavka.

Odmah da napravimo rezervu radi veće jasnoće da kada se razmatra energija deformacije i energija translacionog kretanja, velika energija deformacije igra pozitivnu ulogu, jer manje energije ostaje za kretanje naprijed. U ovom slučaju radi se o elastičnim deformacijama koje ne predstavljaju opasnost po zdravlje, dok je energija translatornog kretanja direktno povezana s ubrzanjem i opasna je za mozak.

Izračunajte faktor oporavka bokserske vreće prema podacima koje su dobili Smith i Hemil. Masa vreće bila je 33 kg. Eksperimentalni rezultati su pokazali neznatne razlike u brzini šake za različite tipove rukavica (gola šaka: 11,03±1,96 m/s, u karate rukavici: 11,89±2,10 m/s, u bokserskoj: 11,57±3,43 m/s). Prosječna brzina šake bila je 11,5 m/s. Pronađene su razlike u momentu vrećice za različite vrste rukavica. Udarac bokserskom rukavicom izazvao je veći zamah vreće (53,73±15,35 Ns) nego udarac golom šakom (46,4±17,40 Ns) ili karate rukavicom (42,0±18,7 Ns), koji su imali skoro jednake vrijednosti. Da biste odredili brzinu vreće iz njenog momenta gibanja, trebate podijeliti zamah vreće s njenom masom:

v = p/m (5)

gdje
v je brzina torbe,
p je zamah vreće,
m je masa vreće.

Koristeći formulu za izračunavanje koeficijenta oporavka (4) i uz pretpostavku da je brzina šake nakon udarca nula, dobijamo vrijednost za udar golom šakom od oko 0,12, tj. k = 12%. Za slučaj udarca bokserskom rukavicom, k = 14%. To potvrđuje naše životno iskustvo - udarac u boksersku vreću je gotovo potpuno neelastičan i gotovo sva energija udara se troši na njenu deformaciju.

Posebno treba napomenuti da je šaka u karate rukavici imala najveću brzinu. Zamah torbe kada je udaren karate rukavicom bio je najmanji. Udarci golim šakama u ovoj studiji bili su u sredini. To se može objasniti činjenicom da su se sportaši bojali ozlijediti ruku i refleksno su smanjivali brzinu i snagu udarca. Kada se udari u karate rukavicu, takav strah se nije javljao.

Šta se dešava ako dobijete udarac u glavu? Okrenimo se još jednoj studiji iz 2005. Valilka, Viana i Beera, koja je ispitivala bokserske udarce rukavicama na specijalno dizajniranoj lutki (slika 2). U ovom radu detaljno su proučavani svi udarni parametri i udar na glavu i vrat lutke. Vrat lutke je bio elastična metalna opruga, pa se ovaj model može smatrati modelom boksera spremnog za udarce sa napetim mišićima vrata. Koristimo podatke o kretanju naprijed lutkine glave i izračunajmo faktor oporavka (k) za direktan udarac u glavu.

Rice. 2 Studija Valilka, Viana i Bira - bokser udara lutku.

Prosječna brzina ruke prije udara bila je 9,14 m/s, a prosječna brzina glave nakon udara 2,97 m/s. Dakle, prema istoj formuli (4), faktor oporavka k = 32%. To znači da je 32% energije otišlo u kinetičko kretanje glave, a 68% u deformaciju vrata i rukavice. Govoreći o energiji deformacije vrata, ne govorimo o geometrijskoj deformaciji (zakrivljenosti) cervikalne regije, već o energiji koju su vratni mišići (u ovom slučaju opruga) potrošili da bi glava bila nepokretna. Zapravo, to je energija otpora na udar. Deformacija lica manekena, kao i ljudske lobanje lica, ne dolazi u obzir. Ljudske kosti su veoma jak materijal. U tabeli. 1 prikazuje koeficijent elastičnosti (Youngov modul) nekoliko materijala. Što je ovaj koeficijent veći, to je materijal tvrđi. Tabela pokazuje da je u pogledu krutosti kost malo inferiornija od betona.

Tablica 1. Koeficijenti elastičnosti (Youngovi moduli) različitih materijala.

Koji će biti faktor oporavka za udarac golom šakom u glavu? Ne postoje studije o tome. Ali hajde da pokušamo da shvatimo moguće posledice. Prilikom udaranja, kao i kod udaranja rukavicom, najveći dio energije će preuzeti mišići vrata, naravno pod uslovom da su napeti. U radu Valilka, Viana i Beera nemoguće je odvojiti energiju naprezanja rukavice od energije naprezanja vrata lutke, ali se može pretpostaviti da je lavovski dio ukupne energije deformacije otišao u deformaciju vrata. Stoga se može pretpostaviti da kod udaranja golom šakom razlika u koeficijentu oporavka neće prelaziti 2-5% u odnosu na udaranje rukavicom, kao što je to bio slučaj u radu Smitha i Hemila, gdje je razlika bila 2%. Očigledno, razlika od 2% nije značajna.

Navedeni proračuni su napravljeni na osnovu podataka o pravolinijskom ubrzanju glave nakon udara. Ali bez obzira na svoju relativnu složenost, oni su veoma daleko od predviđanja traumatizma udarca. Engleski fizičar Holborn, koji je 1943. radio sa gel modelima mozga, bio je jedan od prvih koji je naveo rotacijsko ubrzanje glave kao glavni parametar ozljede mozga. Ommai i saradnici su izvijestili da rotacijsko ubrzanje od 4500 rad/s2 rezultira potresom mozga i teškim ozljedom aksona. Raniji rad istog autora navodi da rotacijsko ubrzanje iznad 1800 rad/s2 stvara 50% šanse za potres mozga. Članak Valilka, Viana i Bira daje parametre 18 različitih udaraca. Ako uzmemo istog boksera i njegov udarac brzinom ruke od 9,5 m / s i udarcem brzinom od 6,7 m / s, tada je u prvom slučaju koeficijent oporavka 32%, a u drugom je već 49 %. Prema svim našim proračunima, pokazalo se da je drugi udar traumatičniji: veći faktor oporavka (više energije je potrošeno na kretanje glave naprijed), velika efektivna masa (2,1 kg i 4,4 kg), nešto veća ubrzanje glave (67 g i 68 g). Međutim, ako uporedimo rotacijsko ubrzanje glave izazvano ova dva udara, vidjet ćemo da je prvi udar traumatskiji (7723 rad/s2 i 5209 rad/s2, respektivno). Štaviše, razlika u brojevima je prilično značajna. Ova činjenica ukazuje da traumatizam štrajka zavisi od velikog broja varijabli i da se ne može voditi samo impulsom p = mv pri ocjeni efikasnosti štrajka. Ovdje je od velike važnosti mjesto udara, kako bi se izazvala najveća rotacija glave. U vezi s navedenim podacima, ispada da faktor bokserskih rukavica kod ozljeda i potresa mozga ne igra glavnu ulogu.

Sumirajući naš članak, napominjemo sljedeće. Faktori koji utiču na ozljedu mozga prilikom udarca sa i bez bokserske rukavice ne razlikuju se bitno i mogu se mijenjati u jednom ili drugom smjeru, ovisno o bokseru i vrsti udarca. Mnogo značajniji faktori koji utiču na potres leže izvan razmatrane ravni, kao što su vrsta i lokacija udarca u glavu, koji određuju njen rotacioni moment.

Istovremeno, ne treba zaboraviti da su bokserske rukavice dizajnirane prvenstveno za zaštitu mekih tkiva lica. Udarci bez rukavica dovode do oštećenja kostiju, zglobova i mekih tkiva i kod napadača i kod napadnutog sportiste. Najčešća i najbolnija od njih je ozljeda koja se zove "bokserov zglob".

Bokserski zglob je dobro poznat termin u sportskoj medicini koji se koristi za opisivanje povrede šake – oštećenja zglobne kapsule metakarpofalangealnog zgloba (obično II ili III), odnosno vlakana koja drže tetivu mišića ekstenzora prstiju.

Opasnost od zaraze raznim infekcijama, uključujući viruse hepatitisa C ili HIV-a, te niz drugih neugodnih posljedica, uključujući i neprivlačan izgled, snažno odbacuju tezu da je borba golim rukama sigurnija za zdravlje.

Reference:

1. Lamash B.E. Predavanja iz biomehanike. https://www.dvgu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
2. Smith PK, Hamill J. Efekat tipa rukavice za probijanje i nivoa vještine na prijenos momenta. 1986, J. Hum. mov. Stud. vol.12, str. 153-161.
3. Walilko T.J., Viano D.C. i Bir C.A. Biomehanika glave za olimpijske bokserske udarce u lice. 2005, Br J Sports Med. vol.39, str.710-719
4 Holbourn A.H.S. Mehanika povrede glave. 1943, Lancet. vol.2, str.438-441.
5. Ommaya A.K., Goldsmith W., Thibault L. Biomechanics and neuropatology of adult and pediatric head injury. 2002, Br J Neurosurg. vol.16, br.3, str.220–242.

6. sportmedicine.ru

U mehanici, udar je mehaničko djelovanje materijalnih tijela, koje dovodi do konačne promjene brzina njihovih tačaka u beskonačno malom vremenskom periodu. Udarno kretanje je kretanje koje nastaje kao rezultat jedne interakcije tijela (medija) sa razmatranim sistemom, pod uslovom da su najmanji period prirodnih oscilacija sistema ili njegova vremenska konstanta srazmjerni ili veći od vremena interakcije.

Tokom interakcije udara u tačkama koje se razmatraju određuju se udarna ubrzanja, brzina ili pomak. Zajedno, takvi udari i reakcije se nazivaju šok procesi. Mehanički udari mogu biti pojedinačni, višestruki i složeni. Pojedinačni i višestruki udarni procesi mogu utjecati na aparaturu u uzdužnom, poprečnom i bilo kojem međusmjeru. Složena udarna opterećenja djeluju na objekt istovremeno u dvije ili tri međusobno okomite ravni. Udarna opterećenja na avion mogu biti i neperiodična i periodična. Pojava udarnih opterećenja povezana je s oštrom promjenom ubrzanja, brzine ili smjera kretanja zrakoplova. Najčešće u realnim uslovima postoji složeni pojedinačni udarni proces, koji je kombinacija jednostavnog udarnog impulsa sa superponiranim oscilacijama.

Glavne karakteristike šok procesa:

zakoni promjene vremena udarnog ubrzanja a(t), brzine V(t) i pomaka X(t) vršnog udarnog ubrzanja;
trajanje fronta udarnog ubrzanja Tf - vremenski interval od trenutka nastanka udarnog ubrzanja do trenutka koji odgovara njegovoj vršnoj vrijednosti;
koeficijent superponiranih fluktuacija udarnog ubrzanja - omjer ukupne sume apsolutnih vrijednosti prirasta između susjednih i ekstremnih vrijednosti ubrzanja udarca i njegove udvostručene vršne vrijednosti;
Impuls udarnog ubrzanja - integral ubrzanja udarca u vremenu jednakom trajanju njegovog djelovanja.

Prema obliku krivulje funkcionalne zavisnosti parametara kretanja, udarni procesi se dijele na jednostavne i složene. Jednostavni procesi ne sadrže visokofrekventne komponente, a njihove karakteristike se aproksimiraju jednostavnim analitičkim funkcijama. Naziv funkcije je određen oblikom krive koja aproksimira ovisnost ubrzanja o vremenu (polusinusoidna, kozanusoidna, pravokutna, trokutasta, pilasta, trapezna, itd.).

Mehanički udar karakterizira brzo oslobađanje energije, što rezultira lokalnim elastičnim ili plastičnim deformacijama, pobuđivanjem valova naprezanja i drugim efektima, koji ponekad dovode do kvara i uništenja strukture zrakoplova. Udarno opterećenje primijenjeno na avion pobuđuje brzo prigušene prirodne oscilacije u njemu. Vrijednost preopterećenja pri udaru, priroda i brzina distribucije naprezanja po konstrukciji aviona određuju se silom i trajanjem udara, te prirodom promjene ubrzanja. Udar, koji djeluje na zrakoplov, može uzrokovati njegovo mehaničko uništenje. U zavisnosti od trajanja, složenosti procesa udara i njegovog maksimalnog ubrzanja tokom ispitivanja, utvrđuje se stepen krutosti konstrukcijskih elemenata aviona. Jednostavan udar može uzrokovati destrukciju zbog pojave jakih, iako kratkotrajnih prenaprezanja u materijalu. Složen udar može dovesti do nagomilavanja mikrodeformacija zamora. Budući da konstrukcija aviona ima rezonantna svojstva, čak i jednostavan udar može izazvati oscilatornu reakciju u njegovim elementima, takođe praćenu fenomenom zamora.

Mehanička preopterećenja uzrokuju deformaciju i lomljenje dijelova, labavljenje spojeva (zavarenih, navojnih i zakivanih), odvrtanje vijaka i matica, pomicanje mehanizama i komandi, uslijed čega se mijenja podešavanje i podešavanje uređaja i javljaju drugi kvarovi.

Borba protiv štetnog djelovanja mehaničkih preopterećenja provodi se na različite načine: povećanjem čvrstoće konstrukcije, upotrebom dijelova i elemenata povećane mehaničke čvrstoće, upotrebom amortizera i posebne ambalaže, te racionalnim postavljanjem uređaja. Mjere zaštite od štetnog djelovanja mehaničkih preopterećenja podijeljene su u dvije grupe:

mjere usmjerene na osiguranje potrebne mehaničke čvrstoće i krutosti konstrukcije;
mjere koje imaju za cilj izolaciju konstrukcijskih elemenata od mehaničkih utjecaja.

U potonjem slučaju koriste se različita sredstva za apsorpciju udara, izolacijske brtve, kompenzatori i prigušivači.

Opšti zadatak ispitivanja vazduhoplova na udarna opterećenja je provera sposobnosti vazduhoplova i svih njegovih elemenata da obavljaju svoje funkcije za vreme i nakon udara, tj. održavati svoje tehničke parametre za vrijeme udara i nakon njega u granicama navedenim u regulatornim i tehničkim dokumentima.

Glavni zahtjevi za ispitivanje na udar u laboratorijskim uslovima su maksimalna aproksimacija rezultata probnog udara na objekt efektu stvarnog udara u prirodnim uslovima rada i ponovljivost udara.

Prilikom reprodukcije režima udarnog opterećenja u laboratorijskim uslovima, nameću se ograničenja na oblik impulsa trenutnog ubrzanja u funkciji vremena (slika 2.50), kao i na dozvoljene granice odstupanja oblika impulsa. Gotovo svaki udarni puls na laboratorijskom stalku praćen je pulsiranjem, što je rezultat rezonantnih pojava u bubanj mašinama i pomoćnoj opremi. Budući da je spektar udarnog impulsa uglavnom karakteristika destruktivnog djelovanja udarca, čak i mala superponirana pulsacija može učiniti rezultate mjerenja nepouzdanim.

Uređaji za ispitivanje koji simuliraju pojedinačne udare praćene vibracijama predstavljaju posebnu klasu opreme za mehanička ispitivanja. Udarne tribine se mogu klasifikovati prema različitim kriterijumima (slika 2.5!):

I - prema principu formiranja udarnog impulsa;

II - po prirodi ispitivanja;

III - prema vrsti ponovljivog udarnog opterećenja;

IV - po principu djelovanja;

V - prema izvoru energije.

Općenito, shema udarnog postolja sastoji se od sljedećih elemenata (slika 2.52): ispitni objekt, montiran na platformu ili kontejner, zajedno sa senzorom preopterećenja udara; sredstva za ubrzanje za saopštavanje potrebne brzine objektu; uređaj za kočenje; kontrolni sistemi; tahograf za snimanje istraženih parametara objekta i zakona promjene udarnog preopterećenja; primarni pretvarači; pomoćni uređaji za podešavanje režima rada ispitivanog objekta; napajanje potrebno za rad ispitivanog objekta i opreme za snimanje.

Najjednostavniji stalak za ispitivanje na udar u laboratorijskim uslovima je stalak koji radi na principu spuštanja ispitnog objekta pričvršćenog na kolica sa određene visine, tj. koristeći Zemljinu gravitaciju za raspršivanje. U ovom slučaju, oblik udarnog impulsa određen je materijalom i oblikom površina koje se sudaraju. Na takvim tribinama moguće je obezbijediti ubrzanje do 80000 m/s2. Na sl. 2.53, a i b prikazane su fundamentalno moguće sheme takvih postolja.

U prvoj verziji (Sl. 2.53, a) motor pokreće poseban breg 3 sa zupcem za začepljenje. Kada breg dostigne maksimalnu visinu H, stol 1 sa predmetom za ispitivanje 2 pada na kočne uređaje 4, koji ga zadaju udaru. Preopterećenje udarom ovisi o visini pada H, krutosti kočnih elemenata h, ukupnoj masi stola i ispitnog objekta M i određuje se sljedećim odnosom:

Variranjem ove vrijednosti možete dobiti različita preopterećenja. U drugoj varijanti (sl. 2.53, b) postolje radi po metodi pada.

Ispitni stolovi koji koriste hidraulični ili pneumatski pogon za ubrzanje kolica su praktički nezavisni od djelovanja gravitacije. Na sl. 2.54 prikazuje dvije opcije za udarna pneumatska postolja.

Princip rada postolja sa zračnim pištoljem (slika 2.54, a) je sljedeći. Komprimirani plin se dovodi u radnu komoru /. Kada se dostigne zadati pritisak, koji se kontroliše manometrom, automat 2 otpušta posudu 3 u koju se postavlja ispitni objekat. Prilikom izlaska iz cijevi 4 zračnog pištolja, spremnik dolazi u kontakt sa uređajem 5, što vam omogućava mjerenje brzine spremnika. Vazdušni pištolj je pričvršćen za potporne stupove preko amortizera b. Zadati zakon kočenja na amortizeru 7 ostvaruje se promjenom hidrauličkog otpora tekućine koja teče 9 u zazoru između posebno profilisane igle 8 i otvora na amortizeru 7.

Strukturni dijagram drugog pneumatskog udarnog postolja, (Sl. 2.54, b) sastoji se od ispitnog objekta 1, kolica 2 na koji je postavljen ispitni objekt, brtve 3 i kočionog uređaja 4, ventila 5 koji vam omogućavaju stvaranje navedeni pritisak gasa opada na klipu b i sistemima za dovod gasa 7. Kočioni uređaj se aktivira odmah nakon sudara kolica i pločice kako bi se sprečilo da kolica preokrenu i izobliče talasne oblike udarca. Upravljanje takvim štandovima može se automatizirati. Mogu reproducirati širok raspon udarnih opterećenja.

Kao uređaj za ubrzanje mogu se koristiti gumeni amortizeri, opruge i, u nekim slučajevima, linearni asinhroni motori.

Mogućnosti gotovo svih amortizera određene su dizajnom kočionih uređaja:

1. Udar ispitnog objekta sa krutom pločom karakterizira usporavanje zbog pojave elastičnih sila u zoni kontakta. Ova metoda kočenja ispitnog objekta omogućava dobivanje velikih vrijednosti preopterećenja sa malim prednjom stranom njihovog rasta (slika 2.55, a).

2. Za postizanje preopterećenja u širokom rasponu, od desetina do desetina hiljada jedinica, sa vremenom porasta od desetina mikrosekundi do nekoliko milisekundi, koriste se deformabilni elementi u obliku ploče ili brtve koji leže na krutoj podlozi. Materijali ovih zaptivki mogu biti čelik, mesing, bakar, olovo, guma itd. (Sl. 2.55, b).

3. Da bi se osigurao bilo koji specifični (dati) zakon promjene n i t u malom rasponu, koriste se deformabilni elementi u obliku vrha (drobilice), koji se ugrađuje između ploče udarnog postolja i predmeta koji se ispituje. (Sl. 2.55, c).

4. Za reprodukciju udara s relativno velikim putem usporavanja koristi se uređaj za kočenje koji se sastoji od olovne, plastično deformabilne ploče smještene na krutoj bazi postolja i tvrdog vrha odgovarajućeg profila koji se u nju ubacuje ( 2.55, d), fiksiran na objektu ili platformi postolja. Takvi kočni uređaji omogućavaju postizanje preopterećenja u širokom rasponu od n(t) s kratkim vremenom porasta, do nekoliko desetina milisekundi.

5. Kao kočni uređaj može se koristiti elastični element u obliku opruge (Sl. 2.55, e) koji je instaliran na pokretnom dijelu amortizera. Ova vrsta kočenja osigurava relativno mala polusinusna preopterećenja s trajanjem mjerenim u milisekundama.

6. Metalna ploča koja se može bušiti, fiksirana duž konture na dnu instalacije, u kombinaciji sa krutim vrhom platforme ili kontejnera, daje relativno mala preopterećenja (slika 2.55, e).

7. Deformabilni elementi postavljeni na pokretnoj platformi postolja (slika 2.55, g), u kombinaciji sa krutim konusnim hvatačem, obezbeđuju dugotrajna preopterećenja sa vremenom porasta i do desetina milisekundi.

8. Uređaj za kočenje sa deformabilnom podloškom (slika 2.55, h) omogućava postizanje velikih putanja usporavanja objekta (do 200 - 300 mm) uz male deformacije podloške.

9. Stvaranje u laboratorijskim uslovima intenzivnih udarnih impulsa sa velikim frontovima moguće je korišćenjem pneumatskog kočionog uređaja (sl. 2.55, s). Prednosti pneumatskog prigušivača uključuju njegovo višekratno djelovanje, kao i mogućnost reprodukcije udarnih impulsa različitih oblika, uključujući i one sa značajnim unaprijed određenim prednjim dijelom.

10. U praksi testiranja udara, kočni uređaj u obliku hidrauličkog amortizera postao je široku primjenu (vidi sliku 2.54, a). Kada ispitni predmet udari u amortizer, njegov štap je uronjen u tečnost. Tečnost se istiskuje kroz tačku stabla prema zakonu koji je određen profilom regulacione igle. Promjenom profila igle moguće je ostvariti različite vrste zakona kočenja. Profil igle se može dobiti proračunom, ali je previše teško uzeti u obzir, na primjer, prisustvo zraka u šupljini klipa, sile trenja u uređajima za brtvljenje itd. Stoga se izračunati profil mora eksperimentalno korigirati. Dakle, računsko-eksperimentalna metoda se može koristiti za dobivanje profila potrebnog za implementaciju bilo kojeg zakona kočenja.

Ispitivanje na udar u laboratorijskim uslovima postavlja niz posebnih zahtjeva za ugradnju objekta. Tako, na primjer, maksimalno dopušteno pomicanje u poprečnom smjeru ne smije prelaziti 30% nominalne vrijednosti; i kod ispitivanja otpornosti na udar i kod ispitivanja čvrstoće na udar, proizvod mora biti u mogućnosti da se ugradi u tri međusobno okomita položaja uz reprodukciju potrebnog broja udarnih impulsa. Jednokratne karakteristike opreme za mjerenje i snimanje moraju biti identične u širokom frekventnom opsegu, što garantuje ispravnu registraciju odnosa različitih frekvencijskih komponenti mjerenog impulsa.

Zbog raznolikosti prijenosnih funkcija različitih mehaničkih sistema, isti spektar udara može biti uzrokovan udarnim impulsom različitih oblika. To znači da ne postoji korespondencija jedan-na-jedan između neke funkcije vremena ubrzanja i spektra šoka. Stoga je, s tehničkog gledišta, ispravnije specificirati specifikacije za udarne testove koji sadrže zahtjeve za spektar udara, a ne za vremensku karakteristiku ubrzanja. Prije svega, to se odnosi na mehanizam zamornog loma materijala zbog gomilanja ciklusa opterećenja, koji se može razlikovati od testa do testa, iako će vršne vrijednosti ubrzanja i naprezanja ostati konstantne.

Prilikom modeliranja šok procesa, svrsishodno je sastaviti sistem određivanja parametara prema identifikovanim faktorima neophodnim za prilično potpuno određivanje željene vrijednosti, koja se ponekad može pronaći samo eksperimentalno.

S obzirom na udar masivnog, slobodno pokretnog krutog tijela na deformabilni element relativno male veličine (na primjer, na kočni uređaj klupe) pričvršćen na krutu podlogu, potrebno je odrediti parametre procesa udara i uspostaviti uslove pod kojima će ti procesi biti slični jedni drugima. U opštem slučaju prostornog kretanja tela može se sastaviti šest jednačina, od kojih tri daju zakon održanja količine kretanja, dve - zakon održanja mase i energije, šesta je jednačina stanja. Ove jednačine uključuju sljedeće veličine: tri komponente brzine Vx Vy \ Vz> gustinu p, pritisak p i entropiju. Zanemarujući disipativne sile i pretpostavivši da je stanje deformabilnog volumena izentropsko, može se isključiti entropija iz broja određujućih parametara. Budući da se razmatra samo kretanje centra mase tijela, moguće je među određujuće parametre ne uključiti komponente brzine Vx, Vy; Vz i koordinate tačaka L", Y, Z unutar deformabilnog objekta. Stanje deformabilnog volumena će se karakterizirati sljedećim parametrima za definiranje:

gustina materijala p;
pritisak p, koji je svrsishodnije uzeti u obzir kroz vrijednost maksimalne lokalne deformacije i Otmax, smatrajući ga generaliziranim parametrom karakteristike sile u kontaktnoj zoni;
početna brzina udarca V0, koja je usmjerena duž normale na površinu na kojoj je postavljen deformabilni element;
trenutno vrijeme t;
tjelesna težina t;
ubrzanje slobodnog pada g;
modul elastičnosti materijala E, budući da se naponsko stanje tijela pri udaru (sa izuzetkom kontaktne zone) smatra elastičnim;
karakterističan geometrijski parametar tijela (ili deformabilnog elementa) D.

U skladu sa TC-teoremom, osam parametara, od kojih tri imaju nezavisne dimenzije, može se koristiti za sastavljanje pet nezavisnih bezdimenzionalnih kompleksa:

Bezdimenzionalni kompleksi sastavljeni od utvrđenih parametara procesa udara bit će neke funkcije nezavisnih] bezdimenzionalnih kompleksa P1-P5.

Parametri koje treba odrediti uključuju:

trenutna lokalna deformacija a;
brzina tijela V;
kontaktna sila P;
napetost u telu a.

Stoga možemo napisati funkcionalne relacije:

Tip funkcija /1, /2, /e, /4 može se ustanoviti eksperimentalno, uzimajući u obzir veliki broj definirajućih parametara.

Ako se pri udaru ne pojave zaostale deformacije u dijelovima tijela izvan kontaktne zone, tada će deformacija imati lokalni karakter, te se stoga može isključiti kompleks R5 = pY^/E.

Kompleks Jl2 = Pttjjjax) ~ Cm naziva se koeficijent relativne tjelesne mase.

Koeficijent sile otpora plastičnoj deformaciji Cp direktno je povezan sa indeksom karakteristike sile N (koeficijent savitljivosti materijala, u zavisnosti od oblika sudarajućih tela) sledećim odnosom:

gdje je p smanjena gustina materijala u kontaktnoj zoni; Cm = m/(pa?) je smanjena relativna masa sudarajućih tijela, koja karakterizira omjer njihove smanjene mase M prema smanjenoj masi deformabilnog volumena u zoni kontakta; xV je bezdimenzionalni parametar koji karakterizira relativni rad deformacije.

Funkcija Cp - /z (R1 (Rr, R3, R4) može se koristiti za određivanje preopterećenja:

Ako osiguramo jednakost numeričkih vrijednosti bezdimenzionalnih kompleksa IJlt R2, R3, R4 za dva udarna procesa, onda ovi uvjeti, tj.

biće kriterijumi za sličnost ovih procesa.

Kada su ovi uslovi ispunjeni, numeričke vrijednosti funkcija /b/g./z» L» me- će također biti iste u sličnim trenucima vremena -V CtZoimax-const; ^r= const; Cp = const, što omogućava određivanje parametara jednog procesa uticaja jednostavnim ponovnim izračunavanjem parametara drugog procesa. Neophodni i dovoljni zahtjevi za fizičko modeliranje procesa udara mogu se formulirati na sljedeći način:

Radni dijelovi modela i prirodnog objekta moraju biti geometrijski slični.
Bezdimenzionalni kompleksi, sastavljeni od definirajućih parametara, moraju zadovoljiti uvjet (2.68). Uvođenje faktora skaliranja.

Mora se imati na umu da će pri modeliranju samo parametara procesa udara, naponska stanja tijela (prirodna i modelna) nužno biti različita.

Mehanizam udara. U mehanici apsolutno krutog tijela, udar se smatra procesom nalik skoku, čije je trajanje beskonačno malo. Prilikom udara, na mjestu dodira sudarajućih tijela, nastaju velike, ali trenutno djelujuće sile, koje dovode do konačne promjene količine gibanja. U realnim sistemima, konačne sile uvijek djeluju tokom konačnog vremenskog intervala, a sudar dvaju pokretnih tijela povezan je s njihovom deformacijom u blizini dodirne točke i širenjem tlačnog vala unutar tih tijela. Trajanje udara ovisi o mnogim fizičkim faktorima: elastičnim karakteristikama materijala sudarajućih tijela, njihovom obliku i veličini, relativnoj brzini približavanja itd.

Promjena ubrzanja s vremenom obično se naziva impuls ubrzanja ili udarni impuls, a zakon promjene ubrzanja s vremenom naziva se oblikom udarnog impulsa. Glavni parametri udarnog impulsa uključuju vršno udarno ubrzanje (preopterećenje), trajanje udarnog ubrzanja i oblik impulsa.

Postoje tri glavne vrste odgovora proizvoda na udarna opterećenja:

* balistički (kvaziprigušni) način pobude (period prirodnih oscilacija EI je veći od trajanja pobudnog impulsa);

* kvazirezonantni način pobude (period prirodnih oscilacija EI je približno jednak trajanju pobudnog impulsa);

* statički način pobude (period prirodnih oscilacija EI je manji od trajanja pobudnog impulsa).

U balističkom načinu rada, maksimalna vrijednost EM ubrzanja je uvijek manja od vršnog ubrzanja udarnog impulsa. Kvazirezonantni Mod kvazirezonantne pobude je najrigidniji u smislu veličine pobuđenih ubrzanja (m je više od 1). U statičkom režimu ekscitacije, odziv ED u potpunosti ponavlja delujući impuls (m=1), rezultati ispitivanja ne zavise od oblika i trajanja impulsa. Testovi u statičkom području su ekvivalentni testovima za efekte linearnog ubrzanja, budući da može se posmatrati kao potez beskonačnog trajanja.

Testovi pada se izvode u kvazi-rezonantnom načinu pobude. Čvrstoća na udar se ocjenjuje integritetom dizajna elektrane (bez pukotina, strugotina).

Ispitivanja na udar se izvode nakon ispitivanja na udar pod električnim opterećenjem kako bi se provjerila sposobnost ED-a da obavlja svoje funkcije u uvjetima mehaničkog udara.

Pored mehaničkih udarnih postolja koriste se elektrodinamički i pneumatski udarni štandovi. U elektrodinamičkim sastojinama, strujni impuls se propušta kroz pobudni kalem pokretnog sistema, čija amplituda i trajanje određuju parametri udarnog impulsa. Na pneumatskim postoljima, udarno ubrzanje se postiže kada se stol sudari sa projektilom ispaljenim iz zračnog pištolja.

Karakteristike stalka za šokove uvelike variraju: nosivost, nosivost - od 1 do 500 kg, broj otkucaja u minuti (podesivo) - od 5 do 120, maksimalno ubrzanje - od 200 do 6000 g, trajanje udaraca - od 0,4 do 40 ms.