Impact testen. Impactverschijnsel Verschuiving van punten bij impact

Een poging om het letselrisico van slagen op het hoofd met blote vuist te analyseren, vergeleken met slagen in een bokshandschoen.

Impact theorie.

Een slag in de mechanica is een kortdurende interactie van lichamen, waardoor hun snelheden veranderen. De impactkracht hangt, volgens de wet van Newton, af van de effectieve massa van het botsende lichaam en zijn versnelling:

Rijst. 1 Curve van slagkrachtontwikkeling in de tijd

F = m*a (1),

waar
F - kracht,
m is de massa,
a - versnelling.

Als we de impact in de tijd beschouwen, dan duurt de interactie zeer kort - van tienduizendsten (momentane quasi-elastische impacts) tot tienden van een seconde (inelastische impacts). De impactkracht aan het begin van de impact neemt snel toe tot zijn maximale waarde en daalt vervolgens tot nul (Fig. 1). De maximale waarde kan erg groot zijn. De belangrijkste maatstaf voor schokinteractie is echter niet de kracht, maar de schokimpuls die numeriek gelijk is aan het gebied onder de F(t)-curve. Het kan worden berekend als een integraal:

(2)

waar
S - schokimpuls,
t1 en t2 zijn de begin- en eindtijden van de impact,
F(t) is de afhankelijkheid van slagkracht F van tijd t.

Aangezien het botsingsproces zeer kort duurt, kan het in ons geval worden beschouwd als een onmiddellijke verandering in de snelheden van de botsende lichamen.

In het proces van impact, zoals bij alle natuurlijke fenomenen, moet de wet van behoud van energie worden nageleefd. Daarom is het natuurlijk om de volgende vergelijking te schrijven:

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

waar
E1 en E2 zijn de kinetische energieën van het eerste en tweede lichaam vóór de impact,
E'1 en E'2 - kinetische energieën na impact,
E1p en E2p zijn de energieën van verliezen tijdens impact in het eerste en tweede lichaam e.

De relatie tussen de kinetische energie na de impact en de energie van verliezen is een van de belangrijkste problemen in de theorie van impact.

De opeenvolging van mechanische verschijnselen bij impact is zodanig dat eerst de vervorming van de lichamen optreedt, waarbij de kinetische bewegingsenergie wordt omgezet in de potentiële energie van elastische vervorming. Potentiële energie wordt dan weer omgezet in kinetische energie. Afhankelijk van welk deel van de potentiële energie in kinetische energie gaat en welk deel verloren gaat, wordt gedissipeerd door verwarming en vervorming, worden drie soorten impact onderscheiden:

1. Absoluut elastische impact Alle mechanische energie blijft behouden. Dit is een geïdealiseerd botsingsmodel, maar in sommige gevallen, bijvoorbeeld bij biljartbalinslagen, benadert het botsingspatroon een perfect elastische botsing.
2. Absoluut inelastische impact– de vervormingsenergie wordt volledig omgezet in warmte. Voorbeeld: landen in sprongen en afsprongen, een bal van plasticine tegen een muur slaan, enz. Bij een absoluut inelastische impact zijn de snelheden van de op elkaar inwerkende lichamen na de impact gelijk (de lichamen plakken aan elkaar).
3. Gedeeltelijk inelastische impact- een deel van de elastische vervormingsenergie wordt omgezet in de kinetische bewegingsenergie.

In werkelijkheid zijn alle effecten absoluut of gedeeltelijk inelastisch. Newton stelde voor om een ​​inelastische impact te karakteriseren met de zogenaamde herstelfactor. Het is gelijk aan de verhouding van de snelheden van de op elkaar inwerkende lichamen na en voor de impact. Hoe kleiner deze coëfficiënt, hoe meer energie er wordt besteed aan niet-kinetische componenten E1p en E2p (verwarming, vervorming). Theoretisch kan deze coëfficiënt niet worden verkregen, deze wordt empirisch bepaald en kan worden berekend met behulp van de volgende formule:

waar
v1 , v2 zijn de snelheden van de lichamen vóór de impact,
v'1, v'2 - na de impact.

Bij k = 0 is de impact absoluut onelastisch en bij k = 1 is deze absoluut elastisch. De herstelfactor is afhankelijk van de elastische eigenschappen van de botsende lichamen. Het zal bijvoorbeeld anders zijn wanneer een tennisbal verschillende ondergronden raakt en rackets van verschillende soorten en kwaliteiten. De herstelcoëfficiënt is niet alleen een kenmerk van het materiaal, het hangt ook af van de snelheid van de impactinteractie - het neemt af met toenemende snelheid. De handboeken geven waarden voor de herstelfactor voor sommige materialen voor impactsnelheden van minder dan 3 m/s.

Biomechanica van impactacties

Percussie in de biomechanica worden acties genoemd, waarvan het resultaat wordt bereikt door mechanische impact. In percussie-acties zijn er:

1. backswing- een beweging die aan de impactbeweging voorafgaat en leidt tot een vergroting van de afstand tussen de impactlink van het lichaam en het object waarop de impact wordt uitgeoefend. Deze fase is het meest variabel.
2. schokbeweging- vanaf het einde van de swing tot het begin van de strike.
3. Impactinteractie (of daadwerkelijke impact)- botsing van botsende lichamen.
4. Post-impact beweging- de beweging van de impactlink van het lichaam na beëindiging van het contact met het object waarop de impact wordt uitgeoefend.

Bij een mechanische impact is de snelheid van een lichaam (bijvoorbeeld een bal) na impact hoe hoger, hoe groter de snelheid van de slagschakel direct voor de impact. Bij stakingen in de sport is zo'n afhankelijkheid niet nodig. Bij het serveren bij tennis kan een toename van de snelheid van het racket bijvoorbeeld leiden tot een afname van de snelheid van de bal, omdat de impactmassa tijdens slagen die door de atleet worden uitgevoerd niet constant is: het hangt af van de coördinatie van zijn bewegingen . Als een slag bijvoorbeeld wordt uitgevoerd door de pols te buigen of met een ontspannen hand, dan zal alleen de massa van het racket en de hand interactie hebben met de bal. Als op het moment van impact de opvallende schakel wordt gefixeerd door de activiteit van de antagonistische spieren en als het ware een enkel vast lichaam vertegenwoordigt, dan zal de massa van deze hele link deelnemen aan de impactinteractie.

Soms gooit een atleet twee schoten met dezelfde snelheid, maar de snelheid van de bal of de kracht van de slag is anders. Dit komt door het feit dat de impactmassa niet hetzelfde is. De waarde van de impactmassa kan worden gebruikt als criterium voor de effectiviteit van de impacttechniek. Aangezien het vrij moeilijk is om de impactmassa te berekenen, wordt de effectiviteit van de impactinteractie geschat als de verhouding van de projectielsnelheid na impact en de snelheid van het impactelement vóór impact. Deze indicator is verschillend in verschillende soorten stakingen. In het voetbal varieert het bijvoorbeeld van 1,20 tot 1,65. Het hangt ook af van het gewicht van de atleet.

Sommige atleten die een zeer sterke slag hebben (bij boksen, volleybal, voetbal, enz.) verschillen niet in grote spierkracht. Maar ze zijn in staat om een ​​hoge snelheid over te brengen op het opvallende segment en, op het moment van de botsing, met het getroffen lichaam te interageren met een grote impactmassa.

Veel opvallende sportacties kunnen niet worden beschouwd als een "pure" staking, waarvan de basis van de theorie hierboven is geschetst. In de impacttheorie in de mechanica wordt aangenomen dat de impact zo snel plaatsvindt en de impactkrachten zo groot zijn dat alle andere krachten verwaarloosd kunnen worden. Bij veel opvallende acties in de sport zijn deze aannames niet terecht. De impacttijd daarin, hoewel kort, kan nog steeds niet worden verwaarloosd; het pad van impactinteractie, waarlangs de botsende lichamen samen bewegen tijdens de impact, kan 20-30 cm bereiken.

Daarom is het bij sportimpactacties in principe mogelijk om de hoeveelheid beweging tijdens de impact te veranderen als gevolg van de werking van krachten die geen verband houden met de impact zelf. Als de impactverbinding tijdens de impact extra wordt versneld door spieractiviteit, neemt de impactimpuls en dienovereenkomstig de vertreksnelheid van het projectiel toe; als het willekeurig wordt vertraagd, worden de schokimpuls en de startsnelheid verminderd (dit is soms nodig voor nauwkeurige verkorte slagen, bijvoorbeeld bij het doorgeven van de bal naar een partner). Sommige slagbewegingen, waarbij de extra impulsaanwinst tijdens het slaan erg groot is, zijn over het algemeen iets tussen gooien en slaan (dit wordt soms gedaan in de tweede pas bij volleybal).

Coördinatie van bewegingen met de krachtigste slagen is onderworpen aan twee vereisten:

1. communicatie van de hoogste snelheid naar de opvallende schakel door het moment van contact met het getroffen lichaam. In deze bewegingsfase worden dezelfde methoden voor het verhogen van de snelheid gebruikt als bij andere bewegende acties;
2. toename van de impactmassa op het moment van impact. Dit wordt bereikt door de afzonderlijke schakels van het slagsegment te "fixeren" door tegelijkertijd de antagonistische spieren aan te zetten en de rotatiestraal te vergroten. Bij boksen en karate wordt bijvoorbeeld de kracht van een slag met de rechterhand ongeveer verdubbeld als de rotatieas nabij het linkerschoudergewricht passeert, vergeleken met slagen waarbij de rotatieas samenvalt met de centrale lengteas van het lichaam .

De impacttijd is zo kort dat het nu al onmogelijk is om de gemaakte fouten te corrigeren. Daarom wordt de nauwkeurigheid van de slag beslissend verzekerd door de juiste acties tijdens de zwaai en de slagbeweging. In het voetbal bepaalt de positie van het steunbeen bijvoorbeeld de doelnauwkeurigheid voor beginners met ongeveer 60-80%.

De tactieken van sportcompetities vereisen vaak stakingen die onverwacht zijn voor de vijand (“verborgen”). Dit wordt bereikt door slagen uit te voeren zonder voorbereiding (soms zelfs zonder zwaai), na bedrieglijke bewegingen (schijnbewegingen), enz. De biomechanische kenmerken van de slagen veranderen, omdat ze in dergelijke gevallen meestal worden uitgevoerd door de actie van alleen distale segmenten ( polsslagen).

Distaal - [bijv. uiteinde, falanx] (distalis) - het uiteinde van de spier of het bot van de ledemaat of de hele structuur (kootje, spier) die het verst van het lichaam verwijderd is.

Punch met en zonder bokshandschoen.

Onlangs is er in sommige sportkringen een serieuze discussie ontstaan ​​over het grotere trauma aan de hersenen van stoten met een bokshandschoen dan stoten met een blote hand. Laten we proberen een antwoord op deze vraag te krijgen met behulp van de beschikbare onderzoeksgegevens en de elementaire wetten van de fysica.

Waar zouden zulke gedachten vandaan kunnen komen? Ik durf dat vooral te suggereren uit observaties van het proces van het raken van een bokszak. Er zijn onderzoeken uitgevoerd waarin Smith en Hemil in hun in 1986 gepubliceerde werk de snelheid van de vuist van een atleet en de snelheid van een bokszak hebben gemeten. Strikt genomen wordt het gevaar van een hersenschudding bepaald door de mate van versnelling van het hoofd, en niet door de snelheid. Volgens de gerapporteerde snelheid van de zak kan men echter alleen indirect de grootte van de versnelling beoordelen, aangezien aangenomen wordt dat deze snelheid in een korte impacttijd is ontwikkeld.

De tas werd op drie verschillende manieren geraakt: met een blote vuist, met een karatehandschoen en met een bokshandschoen. Inderdaad, de snelheid van de zak bij het raken met een handschoen was ongeveer 15% hoger dan bij het raken met een vuist. Overweeg de fysieke achtergrond van het onderzoek. Zoals hierboven vermeld, zijn alle inslagen gedeeltelijk inelastisch en wordt een deel van de energie van de inslagverbinding besteed aan de resterende vervorming van het projectiel, de rest van de energie wordt besteed aan het geven van kinetische energie aan het projectiel. Het aandeel van deze energie wordt gekenmerkt door de terugwinningsfactor.

Laten we voor meer duidelijkheid meteen een voorbehoud maken dat bij het beschouwen van de rekenergie en de energie van translatiebeweging, een grote rekenergie een positieve rol speelt, omdat er blijft minder energie over voor voorwaartse beweging. In dit geval hebben we het over elastische vervormingen die geen gevaar voor de gezondheid vormen, terwijl de energie van translatiebeweging direct gerelateerd is aan versnelling en gevaarlijk is voor de hersenen.

Bereken de herstelfactor van de bokszak volgens de gegevens verkregen door Smith en Hemil. De massa van de zak was 33 kg. De experimentele resultaten toonden onbeduidende verschillen in vuistsnelheid voor verschillende soorten handschoenen (blote vuist: 11,03±1,96 m/s, in karatehandschoen: 11,89±2,10 m/s, in bokshandschoen: 11,57±3,43 m/s). De gemiddelde vuistsnelheid was 11,5 m/s. Verschillen in zakmomentum werden gevonden voor verschillende soorten handschoenen. Een stoot met een bokshandschoen veroorzaakte meer zakmomentum (53,73 ± 15,35 Ns) dan een stoot met een blote vuist (46,4 ± 17,40 Ns) of met een karatehandschoen (42,0 ± 18,7 Ns), die bijna gelijke waarden had. Om de snelheid van de zak uit zijn momentum te bepalen, moet je het momentum van de zak delen door zijn massa:

v = p/m (5)

waar
v is de snelheid van de zak,
p is het momentum van de zak,
m is de massa van de zak.

Gebruikmakend van de formule voor het berekenen van de herstelfactor (4) en aannemende dat de snelheid van de vuist na de impact nul is, verkrijgen we een waarde voor een blote vuistslag van ongeveer 0,12, d.w.z. k = 12%. Voor het geval van een stoot met een bokshandschoen, k = 14%. Dit bevestigt onze levenservaring - een klap op een bokszak is bijna volledig onelastisch en bijna alle impactenergie wordt besteed aan de vervorming ervan.

Apart moet worden opgemerkt dat de vuist in een karatehandschoen de hoogste snelheid had. Het momentum van de zak bij het raken met een karatehandschoen was het kleinst. Blote vuistslagen in deze studie waren in het midden. Dit kan worden verklaard door het feit dat de atleten bang waren om hun hand te bezeren en reflexmatig de snelheid en kracht van de klap verminderden. Toen hij in een karatehandschoen werd geraakt, ontstond zo'n angst niet.

Wat gebeurt er als je op je hoofd wordt geraakt? Laten we eens kijken naar een ander onderzoek uit 2005 van Valilko, Viano en Beer, waarin boksstoten met handschoenen op een speciaal ontworpen dummy werden onderzocht (afb. 2). In dit werk werden alle impactparameters en impact op het hoofd en de nek van de dummy in detail bestudeerd. De nek van de dummy was een elastische metalen veer, dus dit model kan worden beschouwd als een model van een bokser die klaar is om te slaan met gespannen nekspieren. Laten we de voorwaartse bewegingsgegevens van het hoofd van de dummy gebruiken en de herstelfactor (k) berekenen voor een directe klap op het hoofd.

Rijst. 2 Studie van Valilko, Viano en Bira - een bokser slaat een dummy.

De gemiddelde handsnelheid voor een botsing was 9,14 m/s en de gemiddelde snelheid van het hoofd na een botsing was 2,97 m/s. Dus volgens dezelfde formule (4) is de herstelfactor k = 32%. Dit betekent dat 32% van de energie in de kinetische beweging van het hoofd ging en 68% in de vervorming van nek en handschoen. Over de nekvervormingsenergie gesproken, we hebben het niet over de geometrische vervorming (kromming) van het cervicale gebied, maar over de energie die de nekspieren (in dit geval de veer) verbruikten om het hoofd stil te houden. In feite is dit de energie van weerstand tegen impact. De vervorming van het gezicht van de mannequin, evenals de menselijke gezichtsschedel, is uitgesloten. Menselijke botten zijn zeer sterk materiaal. In tafel. 1 toont de elasticiteitscoëfficiënt (Young's modulus) van verschillende materialen. Hoe groter deze coëfficiënt, hoe stijver het materiaal. Uit de tabel blijkt dat bot qua stijfheid iets inferieur is aan beton.

Tabel 1. Elasticiteitscoëfficiënten (Young's moduli) van verschillende materialen.

Wat is de herstelfactor voor een klap op het hoofd met een blote vuist? Hier zijn geen studies over. Maar laten we proberen de mogelijke gevolgen te achterhalen. Bij het stoten, maar ook bij het slaan met een handschoen, zal de meeste energie worden opgenomen door de nekspieren, op voorwaarde natuurlijk dat ze gespannen zijn. In het werk van Valilko, Viano en Beer is het onmogelijk om de vervormingsenergie van de handschoen te scheiden van de vervormingsenergie van de nek van de dummy, maar het kan worden aangenomen dat het leeuwendeel van de totale vervormingsenergie in nekvervorming is gegaan. Daarom kan worden aangenomen dat bij het slaan met een blote vuist het verschil in de herstelcoëfficiënt niet groter zal zijn dan 2-5% in vergelijking met het slaan met een handschoen, zoals het geval was in het werk van Smith en Hemil, waar het verschil was 2%. Uiteraard is een verschil van 2% niet significant.

Bovenstaande berekeningen zijn gemaakt op basis van gegevens over de rechtlijnige versnelling van het hoofd na de impact. Maar ondanks al hun relatieve complexiteit, zijn ze verre van het voorspellen van het trauma van een klap. De Engelse natuurkundige Holborn, die in 1943 met gelmodellen van de hersenen werkte, was een van de eersten die de rotatieversnelling van het hoofd naar voren bracht als de belangrijkste parameter van hersenletsel. Ommai et al. rapporteerden dat een rotatieversnelling van 4500 rad/s2 resulteert in een hersenschudding en ernstig axonaal letsel. Een eerder artikel van dezelfde auteur stelt dat rotatieversnelling boven 1800 rad/s2 50% kans op een hersenschudding geeft. Het artikel van Valilko, Viano en Bira geeft de parameters van 18 verschillende slagen. Als we dezelfde bokser en zijn stoot nemen met een handsnelheid van 9,5 m / s en een stoot met een snelheid van 6,7 m / s, dan is in het eerste geval de herstelcoëfficiënt 32% en in de tweede is het al 49 %. Volgens al onze berekeningen blijkt dat de tweede impact traumatischer is: een hogere herstelfactor (meer energie werd besteed aan de voorwaartse beweging van het hoofd), een grote effectieve massa (2,1 kg en 4,4 kg), een iets hogere versnelling van het hoofd (67 g en 68 g). Als we echter de rotatieversnelling van het hoofd die door deze twee botsingen wordt geproduceerd, vergelijken, zullen we zien dat de eerste botsing meer traumatisch is (respectievelijk 7723 rad/s2 en 5209 rad/s2). Bovendien is het verschil in aantallen behoorlijk groot. Dit gegeven geeft aan dat het trauma van een klap afhangt van een groot aantal variabelen en dat men zich bij het beoordelen van de effectiviteit van een klap niet alleen kan laten leiden door de impuls p = mv. Van groot belang hierbij is de plaats van impact, om zo de grootste rotatie van het hoofd te veroorzaken. In verband met bovenstaande gegevens blijkt dat de bokshandschoenfactor bij blessures en hersenschudding niet de hoofdrol speelt.

Als we ons artikel samenvatten, merken we het volgende op. Factoren die van invloed zijn op hersenletsel bij het slaan met en zonder bokshandschoen, verschillen niet significant en kunnen in de ene of de andere richting veranderen, afhankelijk van de bokser en het type stoot. Veel belangrijkere factoren die de hersenschudding beïnvloeden, liggen buiten het beschouwde vlak, zoals het type en de locatie van de klap op het hoofd, die het rotatiemoment bepalen.

Tegelijkertijd mogen we niet vergeten dat bokshandschoenen in de eerste plaats zijn ontworpen om de zachte weefsels van het gezicht te beschermen. Stakingen zonder handschoenen leiden tot schade aan botten, gewrichten en zachte weefsels bij zowel de aanvaller als de aangevallen sporter. De meest voorkomende en pijnlijke hiervan is een blessure die de "bokserknokkel" wordt genoemd.

Boxer's knokkel is een bekende term in de sportgeneeskunde die wordt gebruikt om een ​​handblessure te beschrijven - schade aan het gewrichtskapsel van het metacarpofalangeale gewricht (meestal II of III), namelijk de vezels die de pees van de strekspier van de vingers vasthouden.

Het gevaar van verschillende infecties, waaronder hepatitis C- of HIV-virussen, en tal van andere onaangename gevolgen, waaronder een onaantrekkelijk uiterlijk, verwerpen de stelling dat vechten met blote handen veiliger is voor de gezondheid.

Referenties:

1. Lamash B.E. Lezingen over biomechanica. https://www.dvgu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
2. Smith PK, Hamill J. Het effect van het type bokshandschoen en het vaardigheidsniveau op de overdracht van momentum. 1986, J. Hum. verplaats. Stud. vol.12, blz. 153-161.
3. Walilko TJ, Viano D.C. en Bir C.A. Biomechanica van het hoofd voor Olympische bokserstoten op het gezicht. 2005, Br J Sportmed. vol.39, pp.710-719
4 Holbourn AHS Mechanica van hoofdletsel. 1943, Lancet. vol.2, blz.438-441.
5. Ommaya A.K., Goldsmith W., Thibault L. Biomechanica en neuropathologie van hoofdletsel bij volwassenen en kinderen. 2002, Br. J. Neurochirurg. vol.16, nr.3, pp.220–242.

6. sportgeneeskunde.ru

In de mechanica is impact de mechanische actie van materiële lichamen, die leidt tot een eindige verandering in de snelheden van hun punten in een oneindig korte tijdsperiode. Impactbeweging is een beweging die optreedt als gevolg van een enkele interactie van een lichaam (medium) met het systeem in kwestie, op voorwaarde dat de kleinste periode van natuurlijke oscillaties van het systeem of zijn tijdconstante evenredig of groter zijn dan de interactietijd.

Tijdens botsinteractie op de beschouwde punten worden impactversnellingen, snelheid of verplaatsing bepaald. Samen worden dergelijke effecten en reacties impactprocessen genoemd. Mechanische schokken kunnen enkelvoudig, meervoudig en complex zijn. Enkelvoudige en meervoudige schokprocessen kunnen het apparaat in de lengte-, dwars- en eventuele tussenliggende richtingen beïnvloeden. Complexe stootbelastingen werken tegelijkertijd op een object in twee of drie onderling loodrechte vlakken. Impactbelastingen op een vliegtuig kunnen zowel niet-periodiek als periodiek zijn. Het optreden van schokbelastingen gaat gepaard met een sterke verandering in de versnelling, snelheid of bewegingsrichting van het vliegtuig. Meestal is er in reële omstandigheden een complex enkel schokproces, dat een combinatie is van een eenvoudige schokpuls met gesuperponeerde oscillaties.

De belangrijkste kenmerken van het schokproces:

• wetten van verandering in tijd van schokversnelling a(t), snelheid V(t) en verplaatsing X(t) piekschokversnelling;
• duur van schokversnelling front Tf - tijdsinterval vanaf het moment van optreden van schokversnelling tot het moment dat overeenkomt met zijn piekwaarde;
• coëfficiënt van gesuperponeerde fluctuaties van schokversnelling - de verhouding van de totale som van absolute waarden van stappen tussen aangrenzende en extreme waarden van schokversnelling tot zijn verdubbelde piekwaarde;
• impactversnellingsimpuls - de integraal van impactversnelling gedurende een tijd gelijk aan de duur van zijn actie.

Volgens de vorm van de curve van de functionele afhankelijkheid van bewegingsparameters, zijn schokprocessen onderverdeeld in eenvoudig en complex. Eenvoudige processen bevatten geen hoogfrequente componenten en hun kenmerken worden benaderd door eenvoudige analytische functies. De naam van de functie wordt bepaald door de vorm van de kromme die de afhankelijkheid van versnelling van de tijd benadert (halfsinusvormig, cosanusvormig, rechthoekig, driehoekig, zaagtandvormig, trapeziumvormig, enz.).

Een mechanische schok wordt gekenmerkt door een snelle afgifte van energie, resulterend in lokale elastische of plastische vervormingen, excitatie van spanningsgolven en andere effecten, soms leidend tot storing en vernietiging van de vliegtuigstructuur. De schokbelasting die op het vliegtuig wordt uitgeoefend, wekt daarin snel gedempte natuurlijke trillingen op. De waarde van overbelasting bij impact, de aard en snelheid van spanningsverdeling over de structuur van het vliegtuig worden bepaald door de kracht en duur van de impact, en de aard van de verandering in versnelling. Impact, die op het vliegtuig inwerkt, kan de mechanische vernietiging ervan veroorzaken. Afhankelijk van de duur, complexiteit van het impactproces en de maximale versnelling tijdens het testen, wordt de mate van stijfheid van de structurele elementen van het vliegtuig bepaald. Een simpele impact kan vernieling veroorzaken door het optreden van sterke, zij het kortdurende overspanningen in het materiaal. Een complexe impact kan leiden tot de opeenhoping van microdeformaties door vermoeidheid. Omdat het ontwerp van het vliegtuig resonerende eigenschappen heeft, kan zelfs een simpele impact een oscillerende reactie in zijn elementen veroorzaken, ook vergezeld van vermoeidheidsverschijnselen.

Mechanische overbelastingen veroorzaken vervorming en breuk van onderdelen, losraken van verbindingen (gelast, van schroefdraad voorzien en geklonken), het losdraaien van schroeven en moeren, beweging van mechanismen en bedieningselementen, waardoor de afstelling en afstelling van apparaten verandert en andere storingen optreden.

De strijd tegen de schadelijke effecten van mechanische overbelasting wordt op verschillende manieren uitgevoerd: het vergroten van de sterkte van de constructie, het gebruik van onderdelen en elementen met verhoogde mechanische sterkte, het gebruik van schokdempers en speciale verpakkingen en rationele plaatsing van apparaten. Maatregelen ter bescherming tegen de schadelijke effecten van mechanische overbelasting zijn onderverdeeld in twee groepen:

1. maatregelen gericht op het waarborgen van de vereiste mechanische sterkte en stijfheid van de constructie;
2. maatregelen gericht op het isoleren van structurele elementen van mechanische invloeden.

In het laatste geval worden diverse schokabsorberende middelen, isolerende pakkingen, compensatoren en dempers toegepast.

De algemene taak van het testen van een vliegtuig op impactbelastingen is het controleren van het vermogen van een vliegtuig en al zijn elementen om hun functies uit te voeren tijdens en na de impact, d.w.z. hun technische parameters behouden tijdens en daarna binnen de limieten die zijn gespecificeerd in de regelgevende en technische documenten.

De belangrijkste vereisten voor botsproeven in laboratoriumomstandigheden zijn de maximale benadering van het resultaat van een testimpact op een object tot het effect van een echte impact in natuurlijke bedrijfsomstandigheden en reproduceerbaarheid van de impact.

Bij het reproduceren van schokbelastingsmodi in laboratoriumomstandigheden worden beperkingen opgelegd aan de momentane versnellingspulsvorm als functie van de tijd (Fig. 2.50), evenals aan de toelaatbare limieten van pulsvormafwijkingen. Vrijwel elke schokpuls op de laboratoriumtafel gaat gepaard met een pulsatie, die het gevolg is van resonantieverschijnselen in drummachines en hulpapparatuur. Aangezien het spectrum van een schokpuls voornamelijk een kenmerk is van het destructieve effect van een impact, kan zelfs een kleine pulsatie bovenop de meetresultaten onbetrouwbaar maken.

Testbanken die individuele schokken en trillingen simuleren, vormen een speciale klasse van apparatuur voor mechanische tests. Impact stands kunnen worden ingedeeld volgens verschillende criteria (Fig. 2.5!):

I - volgens het principe van schokimpulsvorming;

II - door de aard van de tests;

III - volgens het type reproduceerbare schokbelasting;

IV - volgens het actieprincipe;

V - volgens de energiebron.

Over het algemeen bestaat het schema van de schokstandaard uit de volgende elementen (Fig. 2.52): een testobject gemonteerd op een platform of container samen met een schokoverbelastingssensor; versnellingsmiddelen voor het communiceren van de vereiste snelheid aan het object; reminrichting; controlesystemen; opnameapparatuur voor het vastleggen van de onderzochte parameters van het object en de wet van verandering van schokoverbelasting; primaire omvormers; hulpinrichtingen voor het aanpassen van de werkingsmodi van het geteste object; voedingen die nodig zijn voor de werking van het geteste object en registratieapparatuur.

De eenvoudigste standaard voor impacttesten in laboratoriumomstandigheden is een standaard die werkt volgens het principe van het laten vallen van een testobject dat op een wagen is bevestigd vanaf een bepaalde hoogte, d.w.z. de zwaartekracht van de aarde gebruiken om te verspreiden. In dit geval wordt de vorm van de schokpuls bepaald door het materiaal en de vorm van de botsende oppervlakken. Op dergelijke stands is het mogelijk om versnellingen tot 80000 m/s2 te bieden. Op afb. 2.53, a en b tonen de fundamenteel mogelijke schema's van dergelijke stands.

In de eerste versie (Fig. 2.53, a) wordt een speciale nok 3 met een rateltand aangedreven door een motor. Bij het bereiken van de maximale hoogte H van de nok valt de tafel 1 met het testobject 2 op de reminrichtingen 4, die hem een ​​klap geven. Schokoverbelasting is afhankelijk van de valhoogte H, de stijfheid van de remelementen k, de totale massa van de tafel en het testobject M en wordt bepaald door de volgende relatie:

Door deze waarde te variëren, kunt u verschillende overbelastingen krijgen. In de tweede variant (afb. 2.53, b) werkt de standaard volgens de druppelmethode.

Testbanken die een hydraulische of pneumatische aandrijving gebruiken om de wagen te versnellen, zijn praktisch onafhankelijk van de werking van de zwaartekracht. Op afb. 2.54 toont twee opties voor pneumatische impactstatieven.

Het werkingsprincipe van de standaard met een luchtpistool (Fig. 2.54, a) is als volgt. Gecomprimeerd gas wordt toegevoerd aan de werkkamer /. Wanneer de vooraf bepaalde druk is bereikt, die wordt geregeld door de manometer, geeft de automaat 2 de container 3 vrij, waar het testobject wordt geplaatst. Bij het verlaten van de loop 4 van het luchtkanon komt de container in contact met het apparaat 5, waardoor je de snelheid van de container kunt meten. Het luchtpistool wordt door middel van schokdempers aan de steunpalen bevestigd b. De gegeven remwet op de schokbreker 7 wordt geïmplementeerd door de hydraulische weerstand van de stromende vloeistof 9 in de opening tussen de speciaal geprofileerde naald 8 en het gat in de schokbreker 7 te veranderen.

Het structurele diagram van een andere pneumatische schokstandaard (Fig. 2.54, b) bestaat uit een testobject 1, een wagen 2 waarop het testobject is geïnstalleerd, een pakking 3 en een reminrichting 4, kleppen 5 waarmee u de gespecificeerde gasdruk daalt op de zuiger b, en gastoevoersystemen 7. De reminrichting wordt onmiddellijk na de botsing van de wagen en het afstandsstuk geactiveerd om te voorkomen dat de wagen achteruit gaat en de schokgolfvormen vervormt. Het beheer van dergelijke stands kan worden geautomatiseerd. Ze kunnen een breed scala aan schokbelastingen reproduceren.

Als versnellingsinrichting kunnen rubberen schokdempers, veren en, in sommige gevallen, lineaire asynchrone motoren worden gebruikt.

De mogelijkheden van bijna alle schokbrekers worden bepaald door het ontwerp van de reminrichtingen:

1. De impact van een testobject met een stijve plaat wordt gekenmerkt door vertraging door het optreden van elastische krachten in de contactzone. Deze methode om het testobject te remmen, maakt het mogelijk om grote waarden van overbelastingen te verkrijgen met een klein front van hun groei (Fig. 2.55, a).

2. Om overbelastingen in een breed bereik te verkrijgen, van tienduizenden tot tienduizenden eenheden, met hun stijgtijd van tientallen microseconden tot enkele milliseconden, worden vervormbare elementen gebruikt in de vorm van een plaat of pakking die op een stijve basis ligt. De materialen van deze pakkingen kunnen staal, messing, koper, lood, rubber, enz. (Afb. 2.55, b).

3. Om elke specifieke (bepaalde) wet van verandering van n en t in een klein bereik te garanderen, worden vervormbare elementen gebruikt in de vorm van een punt (breker), die tussen de plaat van de impactstandaard en het te testen object wordt geïnstalleerd (Afb. 2.55, c).

4. Om een ​​botsing met een relatief groot vertragingspad te reproduceren, wordt een reminrichting gebruikt, bestaande uit een loden, plastisch vervormbare plaat die zich op de stijve basis van de standaard bevindt, en een harde punt van het overeenkomstige profiel dat erin wordt ingebracht ( Fig. 2.55, d), bevestigd op het object of platform van de standaard. Dergelijke reminrichtingen maken het mogelijk om overbelastingen te verkrijgen in een breed bereik van n(t) met een korte stijgtijd, tot tientallen milliseconden.

5. Een elastisch element in de vorm van een veer (Fig. 2.55, e) geïnstalleerd op het beweegbare deel van de schokstandaard kan als reminrichting worden gebruikt. Dit type remmen zorgt voor relatief kleine halve sinusoverbelastingen met een duur gemeten in milliseconden.

6. Een ponsbare metalen plaat, bevestigd langs de contour aan de basis van de installatie, in combinatie met een stijve punt van het platform of de container, zorgt voor relatief kleine overbelastingen (Fig. 2.55, e).

7. Vervormbare elementen die op het beweegbare platform van de standaard zijn geïnstalleerd (Fig. 2.55, g), in combinatie met een stijve conische vanger, zorgen voor langdurige overbelasting met een stijgtijd van maximaal tientallen milliseconden.

8. Een reminrichting met een vervormbare ring (Fig. 2.55, h) maakt het mogelijk om grote vertragingspaden voor een object (tot 200 - 300 mm) te verkrijgen met kleine vervormingen van de ring.

9. Het creëren in laboratoriumomstandigheden van intense schokpulsen met grote fronten is mogelijk bij gebruik van een pneumatische reminrichting (Fig. 2.55, s). De voordelen van de pneumatische demper zijn onder meer zijn herbruikbare werking, evenals de mogelijkheid om schokpulsen van verschillende vormen te reproduceren, inclusief die met een aanzienlijk vooraf bepaald front.

10. In de praktijk van schoktesten wordt een reminrichting in de vorm van een hydraulische schokdemper veel gebruikt (zie Fig. 2.54, a). Wanneer het testobject de schokdemper raakt, wordt de staaf ervan ondergedompeld in de vloeistof. De vloeistof wordt door het steelpunt naar buiten geduwd volgens de wet bepaald door het profiel van de regelnaald. Door het profiel van de naald te veranderen, is het mogelijk om verschillende soorten remwetten te realiseren. Het profiel van de naald kan worden verkregen door berekening, maar het is te moeilijk om rekening te houden met bijvoorbeeld de aanwezigheid van lucht in de zuigerholte, wrijvingskrachten in afdichtingsinrichtingen, enz. Daarom moet het berekende profiel experimenteel worden gecorrigeerd. De computationeel-experimentele methode kan dus worden gebruikt om het profiel te verkrijgen dat nodig is voor de implementatie van een remwet.

Impacttesten in laboratoriumomstandigheden stellen een aantal speciale eisen aan de installatie van het object. Zo mag de maximaal toelaatbare beweging in de dwarsrichting bijvoorbeeld niet meer bedragen dan 30% van de nominale waarde; zowel bij slagvastheidstesten als bij slagvastheidstesten moet het product in drie onderling loodrechte posities kunnen worden geïnstalleerd met de reproductie van het vereiste aantal schokimpulsen. De eenmalige kenmerken van de meet- en registratieapparatuur moeten over een breed frequentiebereik identiek zijn, wat een correcte registratie van de verhoudingen van de verschillende frequentiecomponenten van de gemeten puls garandeert.

Vanwege de verscheidenheid aan overdrachtsfuncties van verschillende mechanische systemen, kan hetzelfde schokspectrum worden veroorzaakt door een schokpuls van verschillende vormen. Dit betekent dat er geen één-op-één overeenkomst is tussen een bepaalde versnellingstijdfunctie en het schokspectrum. Daarom is het vanuit technisch oogpunt juister om specificaties voor schoktesten te specificeren die eisen bevatten voor het schokspectrum, en niet voor de tijd die kenmerkend is voor versnelling. Allereerst verwijst dit naar het mechanisme van vermoeiing van materialen als gevolg van de accumulatie van laadcycli, die van test tot test kunnen verschillen, hoewel de piekwaarden van versnelling en stress constant zullen blijven.

Bij het modelleren van schokprocessen is het handig om een ​​systeem samen te stellen voor het bepalen van parameters volgens de geïdentificeerde factoren die nodig zijn voor een vrij volledige bepaling van de gewenste waarde, die soms alleen experimenteel kan worden gevonden.

Gezien de impact van een massief, vrij bewegend stijf lichaam op een vervormbaar element van relatief kleine afmetingen (bijvoorbeeld op een reminrichting van een bank) bevestigd op een stijve basis, is het vereist om de parameters van het impactproces te bepalen en de voorwaarden vaststellen waaronder dergelijke processen op elkaar lijken. In het algemene geval van de ruimtelijke beweging van een lichaam kunnen zes vergelijkingen worden samengesteld, waarvan er drie de wet van behoud van impuls geven, twee - de wetten van behoud van massa en energie, de zesde is de toestandsvergelijking. Deze vergelijkingen bevatten de volgende grootheden: drie snelheidscomponenten Vx Vy \ Vz> dichtheid p, druk p en entropie. Door dissipatieve krachten te verwaarlozen en aan te nemen dat de toestand van het vervormbare volume isentropisch is, kan men entropie uitsluiten van het aantal bepalende parameters. Aangezien alleen de beweging van het zwaartepunt van het lichaam in aanmerking wordt genomen, is het mogelijk om de snelheidscomponenten Vx, Vy niet tot de bepalende parameters te rekenen; Vz en coördinaten van de punten L", Y, Z binnen het vervormbare object. De toestand van het vervormbare volume wordt gekenmerkt door de volgende bepalende parameters:

• materiaaldichtheid p;
• druk p, wat handiger is om rekening mee te houden door de waarde van de maximale lokale vervorming en Otmax, gezien het als een algemene parameter van de krachtkarakteristiek in de contactzone;
• de initiële botssnelheid V0, die is gericht langs de normaal op het oppervlak waarop het vervormbare element is geïnstalleerd;
• huidige tijd t;
• lichaamsgewicht t;
• vrije val versnelling g;
• de elasticiteitsmodulus van materialen E, aangezien de spanningstoestand van het lichaam bij impact (met uitzondering van de contactzone) als elastisch wordt beschouwd;
• karakteristieke geometrische parameter van het lichaam (of vervormbaar element) D.

Volgens de TC-stelling kunnen acht parameters, waarvan er drie onafhankelijke dimensies hebben, worden gebruikt om vijf onafhankelijke dimensieloze complexen samen te stellen:

Dimensieloze complexen samengesteld uit de bepaalde parameters van het impactproces zullen enkele functies zijn van onafhankelijke] dimensieloze complexen P1-P5.

De te bepalen parameters omvatten:

• huidige lokale vervorming a;
• lichaamssnelheid V;
• contactkracht P;
• spanning in het lichaam a.

Daarom kunnen we functionele relaties schrijven:

Het type functies /1, /2, /e, /4 kan experimenteel worden vastgesteld, rekening houdend met een groot aantal bepalende parameters.

Als er bij een botsing geen restvervormingen optreden in de lichaamsdelen buiten de contactzone, dan zal de vervorming een lokaal karakter hebben en kan bijgevolg het complex R5 = pY^/E worden uitgesloten.

Het complex Jl2 = Pttjjjax) ~ Cm wordt de coëfficiënt van de relatieve lichaamsmassa genoemd.

De krachtcoëfficiënt van weerstand tegen plastische vervorming Cp is direct gerelateerd aan de krachtkarakteristieke index N (de compliantiecoëfficiënt van het materiaal, afhankelijk van de vorm van de botsende lichamen) door de volgende afhankelijkheid:

waarbij p de verminderde dichtheid van materialen in de contactzone is; Cm = m/(pa?) is de verminderde relatieve massa van de botsende lichamen, kenmerkend de verhouding van hun verminderde massa M tot de verminderde massa van het vervormbare volume in de contactzone; xV is een dimensieloze parameter die het relatieve werk van vervorming karakteriseert.

De functie Cp - /z (R1 (Rr, R3, R4) kan worden gebruikt om overbelastingen te bepalen:

Als we zorgen voor de gelijkheid van de numerieke waarden van de dimensieloze complexen IJlt R2, R3, R4 voor twee impactprocessen, dan zijn deze voorwaarden, d.w.z.

zullen criteria zijn voor de gelijkenis van deze processen.

Wanneer aan deze voorwaarden is voldaan, zullen de numerieke waarden van de functies /b/g./z» L» me- op vergelijkbare momenten hetzelfde zijn -V CtZoimax-const; ^r= const; Cp = const, wat het mogelijk maakt om de parameters van het ene impactproces te bepalen door simpelweg de parameters van een ander proces te herberekenen. Noodzakelijke en voldoende eisen voor fysieke modellering van impactprocessen kunnen als volgt worden geformuleerd:

1. De werkende delen van het model en het natuurlijke object moeten geometrisch gelijk zijn.
2. Dimensieloze complexen, samengesteld uit definiërende parameters, moeten voldoen aan voorwaarde (2.68). Introductie van schaalfactoren.

Houd er rekening mee dat wanneer alleen de parameters van het impactproces worden gemodelleerd, de stresstoestanden van lichamen (natuurlijk en model) noodzakelijkerwijs anders zullen zijn.

Impact mechanisme. In de mechanica van een perfect stijf lichaam wordt impact beschouwd als een sprongachtig proces waarvan de duur oneindig klein is. Tijdens de impact, op het contactpunt van de botsende lichamen, ontstaan ​​​​grote, maar onmiddellijke krachten, die leiden tot een eindige verandering in het momentum. In reële systemen werken eindige krachten altijd gedurende een eindig tijdsinterval, en de botsing van twee bewegende lichamen wordt geassocieerd met hun vervorming nabij het contactpunt en de voortplanting van een compressiegolf binnen deze lichamen. De duur van de impact hangt af van veel fysieke factoren: de elastische eigenschappen van de materialen van de botsende lichamen, hun vorm en grootte, de relatieve snelheid van nadering, enz.

De verandering in versnelling met de tijd wordt gewoonlijk een schokversnellingsimpuls of een schokimpuls genoemd, en de wet van versnellingsverandering met de tijd wordt een vorm van een schokimpuls genoemd. De belangrijkste parameters van de schokpuls zijn onder meer de piekschokversnelling (overbelasting), de duur van de schokversnelling en de vorm van de puls.

Er zijn drie hoofdtypen productreacties op schokbelastingen:

* ballistische (quasi-demping) wijze van excitatie (de periode van EI natuurlijke oscillaties is groter dan de duur van de excitatiepuls);

* quasi-resonante excitatiemodus (de periode van EI natuurlijke oscillaties is ongeveer gelijk aan de duur van de excitatiepuls);

* statische modus van excitatie (de periode van EI natuurlijke oscillaties is korter dan de duur van de excitatiepuls).

In de ballistische modus is de maximale waarde van de EM-versnelling altijd kleiner dan de piekversnelling van de impactpuls. Quasi-resonant De quasi-resonante excitatiemodus is de meest rigide in termen van de grootte van de aangeslagen versnellingen (m is meer dan 1). In de statische modus van excitatie herhaalt de respons van de ED de werkende puls volledig (m = 1), de testresultaten zijn niet afhankelijk van de vorm en duur van de puls. Tests in het statische gebied zijn gelijkwaardig aan tests voor de effecten van lineaire versnelling, aangezien het kan worden gezien als een slag van oneindige duur.

Valproeven worden uitgevoerd in een quasi-resonante excitatiemodus. De slagvastheid wordt beoordeeld aan de hand van de integriteit van het ontwerp van de energiecentrale (geen scheuren, spanen).

Impacttests worden uitgevoerd na impacttests onder elektrische belasting om het vermogen van de ED om zijn functies uit te voeren onder mechanische schokomstandigheden te verifiëren.

Naast mechanische schokstandaards worden elektrodynamische en pneumatische schokstandaards gebruikt. In elektrodynamische stands wordt een stroompuls door de excitatiespoel van het bewegende systeem geleid, waarvan de amplitude en duur worden bepaald door de parameters van de schokpuls. Op pneumatische stands wordt de impactversnelling verkregen wanneer de tafel botst met een projectiel dat wordt afgevuurd door een luchtkanon.

De kenmerken van impactstandaards lopen sterk uiteen: draagvermogen, draagvermogen - van 1 tot 500 kg, aantal slagen per minuut (instelbaar) - van 5 tot 120, maximale acceleratie - van 200 tot 6000 g, duur van de slagen - van 0,4 tot 40 ms.