Випробування вплив ударних навантажень. Явище удару Зміщення точок під час удару

Спроба проаналізувати травмонебезпечність ударів у голову голим кулаком у порівнянні з ударами в боксерській рукавичці.

Теорія удару.

Ударом у механіці називається короткочасна взаємодія тіл, у результаті якого змінюються їх швидкості. Ударна сила залежить, згідно із законом Ньютона, від ефективної маси ударяючого тіла та його прискорення:

Рис. 1 Крива розвитку сили удару у часі

F = m*a (1),

де
F – сила,
m – маса,
a – прискорення.

Якщо розглядати удар у часі, то взаємодія триває дуже короткий час – від десятитисячних (миттєві квазіпружні удари) до десятих часток секунди (непружні удари). Ударна сила на початку удару швидко зростає до найбільшого значення, потім падає до нуля (рис. 1). Максимальне значення може бути дуже великим. Проте основним заходом ударного взаємодії не сила, а ударний імпульс, чисельно рівний площі під кривою F(t). Він може бути обчислений як інтеграл:

(2)

де
S - ударний імпульс,
t1 і t2 – час початку та кінця удару,
F(t) – залежність ударної сили F від часу t.

Так як процес зіткнення триває дуже короткий час, то в нашому випадку його можна розглядати як миттєве зміна швидкостей тіл, що стікаються.

У процесі удару, як і будь-яких явищах природи повинен дотримуватися закон збереження енергії. Тому закономірно записати таке рівняння:

E1 + E2 = E'1 + E'2 + E1п + E2п (3)

де
E1 та E2 – кінетичні енергії першого та другого тіла до удару,
E'1 та E'2 – кінетичні енергії після удару,
E1п та E2п – енергії втрат при ударі у першому та у другому тілтобто.

Співвідношення між кінетичною енергією після удару та енергією втрат становить одну з основних проблем теорії удару.

Послідовність механічних явищ при ударі така, що спочатку відбувається деформація тіл, під час якої кінетична енергія руху перетворюється на потенційну енергію пружної деформації. Потім потенційна енергія перетворюється на кінетичну. Залежно від того, яка частина потенційної енергії переходить у кінетичну, а яка втрачається, розсіюючись на нагрівання та деформацію, розрізняють три види удару:

Абсолютно пружний удар- Уся механічна енергія зберігається. Це ідеалізована модель зіткнення, однак, у деяких випадках, наприклад, у разі ударів більярдних куль, картина зіткнення близька до абсолютно пружного удару.
Абсолютно непружний удар– енергія деформації повністю перетворюється на тепло. Приклад: приземлення в стрибках і скоках, удар кульки з пластиліну в стіну і т. п. При абсолютно непружному ударі швидкості тіл, що взаємодіють, після удару рівні (тіла злипаються).
Частково непружний удар- частина енергії пружної деформації перетворюється на кінетичну енергію руху.

Насправді всі удари або абсолютно, або частково непружними. Ньютон запропонував характеризувати пружний удар так званим коефіцієнтом відновлення. Він дорівнює відношенню швидкостей тіл, що взаємодіють, після і до удару. Чим цей коефіцієнт менший, тим більше енергії витрачається на некінетичні складові E1п та E2п (нагрів, деформація). Теоретично цей коефіцієнт отримати не можна, він визначається дослідним шляхом і може бути розрахований за такою формулою:

де
v1 , v2 – швидкості тіл до удару,
v'1, v'2 – після удару.

При k = 0 удар буде абсолютно пружним, а при k = 1 – абсолютно пружним. Коефіцієнт відновлення залежить від пружних властивостей тіл, що суударяються. Наприклад, він буде різний при ударі тенісного м'яча про різні ґрунти та ракетки різних типів та якості. Коефіцієнт відновлення не є просто характеристикою матеріалу, оскільки залежить ще й від швидкості ударної взаємодії – зі збільшенням швидкості він зменшується. У довідниках наведено значення коефіцієнта відновлення для деяких матеріалів швидкості удару менше 3 м/с.

Біомеханіка ударних дій

Ударними у біомеханіці називаються дії, результат яких досягається механічним ударом. У ударних діях розрізняють:

Замах- Рух, що передує ударному руху і призводить до збільшення відстані між ударною ланкою тіла та предметом, по якому наноситься удар. Ця фаза найбільш варіативна.
Ударний рух- Від кінця замаху до початку удару.
Ударна взаємодія (або власне удар)- Зіткнення тіл, що ударяються.
Післяударний рух- Рух ударної ланки тіла після припинення контакту з предметом, по якому наноситься удар.

При механічному ударі швидкість тіла (наприклад, м'яча) після удару тим вища, чим більша швидкість ланки, що ударяє, безпосередньо перед ударом. При ударах у спорті така залежність є необов'язковою. Наприклад, при подачі в тенісі збільшення швидкості руху ракетки може призвести до зниження швидкості вильоту м'яча, оскільки ударна маса при ударах спортсменів непостійна: вона залежить від координації його рухів. Якщо, наприклад, виконувати удар за рахунок згинання кисті або з розслабленим пензлем, то з м'ячем буде взаємодіяти лише маса ракетки та пензля. Якщо ж у момент удару ударна ланка закріплена активністю м'язів-антагоністів і є як би єдиним твердим тілом, то в ударній взаємодії братиме участь маса всієї цієї ланки.

Іноді спортсмен завдає два удари з тією самою швидкістю, а швидкість вильоту м'яча або сила удару виявляється різною. Це відбувається через те, що ударна маса неоднакова. Величина ударної маси можна використовувати як критерій ефективності техніки ударів. Оскільки розрахувати ударну масу досить складно, ефективність ударної взаємодії оцінюють як відношення швидкості снаряда після удару і швидкості ударного елемента до удару. Цей показник різний у ударах різних типів. Наприклад, у футболі він змінюється від 1,20 до 1,65. Залежить він і від ваги спортсмена.

Деякі спортсмени, які володіють дуже сильним ударом (у боксі, волейболі, футболі та ін), великою м'язовою силою не відрізняються. Але вони вміють повідомляти велику швидкість ударному сегменту і в момент удару взаємодіяти з тілом, що ударяється великою ударною масою.

Багато ударних спортивних дій не можна розглядати як «чистий» удар, основа теорії якого викладена вище. Теоретично удару в механіці передбачається, що удар відбувається настільки швидко і ударні сили настільки великі, що решта сил можна знехтувати. У багатьох ударних діях у спорті ці припущення не виправдані. Час удару в них хоч і мало, але все-таки нехтувати ним не можна; шлях ударного взаємодії, яким під час удару рухаються разом соударяющиеся тіла, може досягати 20-30 див.

Тому в спортивних ударних діях, в принципі, можна змінити кількість руху під час зіткнення за рахунок дії сил, не пов'язаних із самим ударом. Якщо ударна ланка під час удару додатково прискорюється за рахунок активності м'язів, ударний імпульс відповідно швидкість вильоту снаряда збільшуються; якщо воно довільно гальмується, ударний імпульс та швидкість вильоту зменшуються (це буває потрібно при точних укорочених ударах, наприклад, при передачах м'яча партнеру). Деякі ударні рухи, у яких додатковий приріст кількості руху під час зіткнення дуже великий, взагалі є чимось середнім між метаннями та ударами (так іноді виконують другу передачу у волейболі).

Координація рухів за максимально сильних ударів підпорядковується двом вимогам:

повідомлення найбільшої швидкості ударній ланці до моменту зіткнення з тілом, що ударяється. У цій фазі руху використовуються самі способи збільшення швидкості, що і в інших переміщуючих діях;
збільшення ударної маси на момент удару. Це досягається «закріпленням» окремих ланок ударного сегмента шляхом одночасного включення м'язів-антагоністів та збільшення радіусу обертання. Наприклад, у боксі та караті сила удару правою рукою збільшується приблизно вдвічі, якщо вісь обертання проходить поблизу лівого плечового суглоба, порівняно з ударами, при яких вісь обертання збігається з центральною поздовжньою віссю тіла.

Час удару настільки короткочасний, що виправити допущені помилки вже неможливо. Тому точність удару вирішальною мірою забезпечується правильними діями при замаху і ударному русі. Наприклад, у футболі місце встановлення опорної ноги визначає у початківців цільову точність приблизно на 60-80%.

Тактика спортивних змагань часто вимагає несподіваних для супротивника ударів («прихованих»). Це досягається виконанням ударів без підготовки (іноді навіть без замаху), після обманних рухів (фінтів) і т. п. Біомеханічні характеристики ударів при цьому змінюються, тому що вони виконуються в таких випадках, зазвичай, за рахунок дії лише дистальних сегментів (кистьові удари).

Дистальний - [напр. кінець, фаланга] (distalis) - кінець м'яза або кістки кінцівки або ціла структура (фаланга, м'яз) найбільш віддалена від тулуба.

Удар у боксерській рукавичці та без.

Останнім часом у деяких спортивних колах розгоряються серйозні суперечки щодо більшої травматичності для мозку ударів у боксерській рукавичці, ніж ударів голою рукою. Спробуємо отримати відповідь це питання використовуючи наявні дослідницькі дані та елементарні закони фізики.

Звідки могли народитись подібні думки? Наважуюся припустити, що в основному зі спостережень процесу удару по боксерському мішку. Проводилися дослідження, в яких Сміт і Хеміл у своїй роботі, опублікованій в 1986 вимірювали швидкість кулака спортсмена і швидкість боксерського мішка. Строго кажучи, небезпека струсу мозку визначається величиною прискорення голови, а чи не швидкістю. Проте за повідомленням швидкості мішка можна лише побічно судити про величину прискорення, т.к. передбачається, що ця швидкість була розвинена за короткий проміжок часу удару.

Удари по мішку проводилися трьома різними способами: голим кулаком, у рукавичці для карате та рукавичці для боксу. І дійсно, швидкість мішка при ударі рукавичкою виявилася вищою приблизно на 15%, ніж при ударі кулаком. Розглянемо фізичне підґрунтя проведеного дослідження. Як мовилося раніше вище, все удари є частково непружними і частина енергії ударного ланки витрачається залишкову деформацію снаряда, решта енергія витрачається повідомлення снаряду кінетичної енергії. Частка цієї енергії характеризується коефіцієнтом відновлення.

Одночасно обмовимося більшої ясності, що з розгляді енергії деформації та енергії поступального руху, велика енергія деформації грає позитивну роль, т.к. на поступальний рух залишається менше енергії. В даному випадку йдеться про пружні деформації, що не становлять небезпеку для здоров'я, тоді як енергія поступального руху безпосередньо пов'язана з прискоренням і небезпечна для мозку.

Розрахуємо коефіцієнт відновлення боксерського мішка за даними, отриманими Смітом і Хемілом. Маса мішка складала 33 кг. Результати експериментів показали незначні відмінності у швидкості кулака для різних типів рукавичок (голий кулак: 11.03±1.96 м/с, каратистської рукавички: 11.89±2.10 м/с, боксерської рукавички: 11.57±3.43 м/с). Середнє значення швидкості кулака становило 11.5 м/с. Були знайдені розбіжності у імпульсі мішка для різних типів рукавичок. Удар у боксерській рукавичці викликав більший імпульс мішка (53.73±15.35 Н з), ніж удар голим кулаком (46.4±17.40 Н з) чи каратистській рукавичці (42.0±18.7 Н з), які мали майже рівні значення. Для визначення швидкості мішка за його імпульсом, імпульс мішка поділити на його масу:

v = p/m (5)

де
v – швидкість мішка,
p – імпульс мішка,
m – маса мішка.

Використовуючи формулу розрахунку коефіцієнта відновлення (4) і припускаючи, що швидкість кулака після удару дорівнює нулю, отримуємо значення удару голим кулаком близько 0,12, тобто. k = 12%. Для удару боксерською рукавичкою k = 14%. Це підтверджує наш життєвий досвід - удар по боксерському мішку практично повністю пружний і майже вся енергія удару йде на його деформацію.

Слід окремо відзначити, що найбільша швидкість була у куркуля в каратистській рукавичці. Імпульс мішка при ударі каратистською рукавичкою був найменший. Показники ударів голим кулаком у цьому дослідженні займали проміжне положення. Це можна пояснити тим фактом, що спортсмени боялися пошкодити руку та рефлекторно знижували швидкість та силу удару. При ударі в каратистській рукавичці такого страху не виникало.

А що буде при ударі в голову? Звернемося до іншого дослідження Валілко, Віано та Біра за 2005 рік, в якому досліджувалися боксерські удари в рукавичках за спеціально сконструйованим манекеном (рис.2). У цій роботі були детально досліджені всі параметри удару та ударний вплив на голову та шию манекена. Шия манекена була пружною металевою пружиною, тому цю модель можна вважати, як модель боксера готового до удару з напруженими м'язами шиї. Скористаємося даними щодо поступального руху голови манекена і розрахуємо коефіцієнт відновлення (k) при прямому ударі в голову.

Рис. 2 Дослідження Валілко, Віано та Біра – боксер завдає удару по манекену.

Середня швидкість руки до удару була 9,14 м/с, середня швидкість голови після удару 2,97 м/с. Таким чином, згідно з тією самою формулою (4) коефіцієнт відновлення k = 32%. Це означає, що 32% енергії пішло у кінетичний рух голови, а 68% пішло у деформацію шиї та рукавички. Говорячи про енергію деформації шиї, йдеться не про геометричну деформацію (викривлення) шийного відділу, а про енергію, яку витратили м'язи шиї (в даному випадку пружина), щоб утримати голову в нерухомому стані. Фактично це енергія опору удару. Про деформацію особи манекена, як і лицьового черепа людини, може бути мови. Кістки людини є дуже міцним матеріалом. У табл. 1 наведено коефіцієнт пружності (модулі Юнга) декількох матеріалів. Чим цей коефіцієнт більший, тим жорсткіший матеріал. З таблиці видно, що за жорсткістю кістка трохи поступається бетону.

Таблиця 1. Коефіцієнти пружності (модулі Юнга) різних матеріалів.

Яким буде коефіцієнт відновлення при ударі в голову голим кулаком? Досліджень щодо цього немає. Але спробуємо прикинути можливі наслідки. При ударі кулаком, як і при ударі рукавичкою, більшу частину енергії візьмуть він м'язи шиї, за умови, звісно, що вони напружені. У роботі Валілко, Віано та Біра неможливо відокремити енергію деформації рукавички від енергії деформації шиї манекена, але можна припустити, що в деформацію шиї пішла левова частка сумарної енергії деформації. Тому можна вважати, що при ударі голим кулаком різниця в коефіцієнті відновлення не перевищуватиме 2-5% порівняно з ударом у рукавичці, як це було у роботі Сміта та Хеміла, де різниця склала 2%. Очевидно, що різниця у 2% – це несуттєво.

Наведені вище розрахунки робилися з урахуванням даних про прямолінійному прискоренні голови після удару. Але за всієї їх відносної складності вони дуже далекі від передбачення травматичність удару. Англійський фізик Холборн, який працював з гелевими моделями мозку в 1943 році, був одним із перших, хто висунув головним параметром травми мозку – обертальне прискорення голови. У роботі Оммая та ін. йдеться, що обертальне прискорення в 4500 рад/с2 призводить до струсу та серйозних аксональних травм. У ранній роботі того ж автора говориться, що обертальне прискорення вище 1800 рад/с2 створює 50% ймовірність струсу мозку. У статті Валілко, Віано та Біра наведено параметри 18 різних ударів. Якщо взяти одного й того ж боксера та його удар зі швидкістю руки 9,5 м/с та удар зі швидкістю 6,7 м/с, то у першому випадку коефіцієнт відновлення дорівнює 32%, а у другому вже 49%. За всіма нашими розрахунками виходить, що другий удар більш травматичний: більший коефіцієнт відновлення (більше енергії пішов у поступальний рух голови), більша ефективна маса (2,1 кг та 4,4 кг), трохи більше прискорення голови (67 g та 68 g ). Однак, якщо ми порівняємо обертальне прискорення голови, зроблене цими двома ударами, то побачимо, що травматичнішим є перший удар (7723 рад/с2 і 5209 рад/с2 відповідно). Причому різниця у цифрах досить суттєва. Даний факт свідчить про те, що травматичність удару залежить від великої кількості змінних і не можна керуватися лише одним імпульсом p = mv, оцінюючи ефективність удару. Велике значення тут грає і місце удару, щоб викликати найбільше обертання голови. У зв'язку з наведеними даними виходить, що фактор боксерської рукавички у травмах та струсах мозку грає далеко не головну роль.

Підбивши підсумок нашої статті, відзначимо таке. Фактори, що впливають на травми головного мозку при ударі в боксерській рукавичці і без неї відрізняються незначно і можуть змінюватися то в одну, то в іншу сторону залежно від боксера та виду удару. Набагато істотніші фактори, що впливають на струс мозку, лежать поза розглянутою площиною, такі як вид і місце удару в голову, що визначають її обертальний момент.

Разом з тим, не слід забувати, що боксерські рукавички створені насамперед для захисту м'яких тканин обличчя. Удари без рукавичок призводять до пошкоджень кісток, суглобів і м'яких тканин як у атакуючого, так і в спортсмена, що атакується. Найбільш поширеним і болючим з них є травма, що називається "кісточка боксера".

Кісточка боксера – відомий у спортивній медицині термін, що використовується для опису травми кисті – пошкодження суглобової капсули п'ястно-фалангового суглоба (зазвичай II або III), а саме волокон, що утримують сухожилля м'язів-розгиначів пальців.

Небезпека зараження різними інфекціями, у тому числі вірусами гепатиту С або ВІЛ та маса інших неприємних наслідків, включаючи малопривабливу зовнішність, всіляко відкидають тезу про те, що битися голими руками безпечніше для здоров'я.

Використана література:

1. Ламаш Б.Є. Лекції з біомеханіки. https://www.dvgu.ru/meteo/book/BioMechan.htm
2. Smith PK, Hamill J. Діяльність punching glove type і skill level on momentum transfer. 1986, J. Hum. Mov. Stud. vol.12, pp. 153-161.
3. Walilko TJ, Viano D.C. and Bir C.A. Biomechanics of head для Olympic boxer pinches to the face. 2005, Br J Sports Med. vol.39, pp.710-719
4. Holbourn A.H.S. Mechanics of head injury. 1943, Lancet. vol.2, pp.438-441.
5. Ommaya A.K., Goldsmith W., Thibault L. Biomechanics and neuropathology of adult and paediatric head injury. 2002, Br J Neurosurg. vol.16, №3, pp.220-242.

6. sportmedicine.ru

У механіці ударом називають механічний вплив матеріальних тіл, що призводить до кінцевої зміни швидкостей їх точок за нескінченно малий проміжок часу. Ударний рух - рух, що виникає в результаті одноразової взаємодії тіла (середовища) з системою, що розглядається, за умови, що найменший період власних коливань системи або її постійна часу співмірні або більше часу взаємодії.

При ударній взаємодії в точках визначають ударні прискорення, швидкість або переміщення. У сукупності такі дії та реакції називають ударними процесами. Механічні удари можуть бути одиночними, багаторазовими та комплексними. Одиночні та багаторазові ударні процеси можуть впливати на апарат у поздовжньому, поперечному та будь-якому проміжному напрямках. Комплексні ударні навантаження впливають на об'єкт у двох або трьох взаємно перпендикулярних площинах одночасно. Ударні навантаження на ЛА можуть бути як неперіодичними, так і періодичними. Виникнення ударних навантажень пов'язане з різкою зміною прискорення, швидкості або напрямки переміщення ЛА. Найчастіше в реальних умовах зустрічається складний одиночний ударний процес, що є поєднанням простого ударного імпульсу з накладеними коливаннями.

Основні характеристики ударного процесу:

закони зміни в часі ударного прискорення a(t), швидкості V(t) і переміщення X(t) пікове ударне прискорення;
тривалість фронту ударного прискорення Тф - інтервал часу від появи ударного прискорення досі, відповідного його піковому значенню;
коефіцієнт накладених коливань ударного прискорення - відношення повної суми абсолютних значень прирощень між суміжними та екстремальними значеннями ударного прискорення до його подвоєного пікового значення;
імпульс ударного прискорення - інтеграл від ударного прискорення за час, що дорівнює тривалості його дії.

За формою кривої функціональної залежності параметрів руху ударні процеси поділяють на прості та складні. Прості процеси містять високочастотних складових, та його характеристики апроксимуються простими аналітичними функціями. Найменування функції визначається формою кривої, що апроксимує залежність прискорення від часу (напівсинусоїдальна, косанусоїдальна, прямокутна, трикутна, пилкоподібна, трапецеїдальна і т.д.).

Механічний удар характеризується швидким виділенням енергія, в результаті чого виникають місцеві пружні або пластичні деформації, збудження хвиль напруги та інші ефекти, що іноді призводять до порушення функціонування і до руйнування конструкції ЛА. Ударне навантаження, прикладене до ЛА, збуджує в ньому власні коливання, що швидко загасають. Значення перевантаження при ударі, характер і швидкість розподілу напруг по конструкції ЛА визначаються силою та тривалістю удару та характером зміни прискорення. Удар, впливаючи на ЛА, може спричинити його механічне руйнування. Залежно від тривалості, складності ударного процесу його максимального прискорення при випробуваннях визначають ступінь жорсткості елементів конструкції ЛА. Простий удар може спричинити руйнування внаслідок виникнення сильних, хоч і короткочасних перенапруг у матеріалі. Складний удар може призвести до накопичення мікродеформації втомного характеру. Оскільки конструкція ЛА має резонансні властивості, то навіть простий удар може викликати коливальну реакцію в її елементах, що також супроводжується втомними явищами.

Механічні навантаження викликають деформацію та поломку деталей, ослаблення з'єднань (зварних, різьбових та заклепувальних), відгвинчування гвинтів та гайок, переміщення механізмів та органів управління, внаслідок чого змінюється регулювання та налаштування приладів та з'являються інші несправності.

Боротьба зі шкідливою дією механічних навантажень ведеться різними шляхами: збільшенням міцності конструкції, використанням деталей та елементів з підвищеною механічною міцністю, застосуванням амортизаторів та спеціальної упаковки, раціональним розміщенням приладів. Заходи захисту від шкідливого впливу механічних навантажень поділяють на дві групи:

заходи, спрямовані на забезпечення необхідної механічної міцності та жорсткості конструкції;
заходи, створені задля ізоляцію елементів конструкції від механічних впливів.

В останньому випадку застосовують різні амортизуючі засоби, ізолюючі прокладки, компенсатори та демпфери.

Загальне завдання випробувань ЛА на вплив ударних навантажень полягає у перевірці здатності ЛА та всіх його елементів виконувати свої функції у процесі ударного впливу та після нього, тобто. зберігати свої технічні параметри при ударному впливі та після нього в межах, зазначених у нормативно-технічних документах.

Основні вимоги при ударних випробуваннях у лабораторних умовах - максимальна наближеність результату випробувального удару на об'єкт до ефекту реального удару в натурних умовах експлуатації та відтворюваність ударного впливу.

При відтворенні в лабораторних умовах режимів ударного навантаження накладають обмеження на форму імпульсу миттєвого прискорення як функції часу (рис. 2.50), а також на допустимі межі відхилень форми імпульсу. Практично кожен ударний імпульс на лабораторному стенді супроводжується пульсацією, що є наслідком резонансних явищ у ударних установках та допоміжному обладнанні. Так як спектр ударного імпульсу в основному є характеристикою руйнівної дії удару, накладена навіть невелика пульсація може зробити результати вимірювань недостовірними.

Випробувальні установки, що імітують окремі удари з подальшими коливаннями, становлять спеціальний клас обладнання для механічних випробувань. Ударні стенди можна класифікувати за різними ознаками (рис. 2.5!):

I - за принципом формування ударного імпульсу;

II - за характером випробувань;

III - по виду відтворюваного ударного навантаження;

IV - за принципом дії;

V - за джерелом енергії.

У загальному вигляді схема ударного стенду складається з наступних елементів (рис. 2.52): випробуваного об'єкта, укріпленого на платформі або контейнері разом із датчиком ударного навантаження; засоби розгону для повідомлення об'єкту необхідної швидкості; гальмівного пристрою; системи управління; реєструючої апаратури для записів досліджуваних параметрів об'єкта та закону зміни ударного навантаження; первинних перетворювачів; допоміжних приладів регулювання режимів функціонування випробуваного об'єкта; джерел живлення, необхідні роботи випробуваного об'єкта та реєструючої апаратури.

Найпростішим стендом для ударних випробувань у лабораторних умовах є стенд, що працює за принципом скидання закріпленого на каретці об'єкта з деякою висоти, тобто. який використовує для розгону сили земного тяжіння. При цьому форма ударного імпульсу визначається матеріалом і формою поверхонь, що сударяются. На таких стендах можна забезпечити прискорення до 80 000 м/с2. На рис. 2.53 а і б наведено принципово можливі схеми таких стендів.

У першому варіанті (рис. 2.53 а) спеціальний кулачок 3 з храповим зубом приводиться в обертання мотором. Після досягнення кулачком максимальної висоти H стіл 1 з об'єктом випробування 2 падає на гальмівні пристрої 4, які повідомляють йому удар. Ударне навантаження залежить від висоти падіння Н, жорсткості гальмівних елементів, сумарної маси столу і об'єкта випробування M і визначається наступною залежністю:

Варіюючи ця величини, можна отримати різні навантаження. У другому варіанті (рис. 2.53 б) стенд працює за методом скидання.

Випробувальні стенди, що використовують гідравлічний або пневматичний привід для розгону каретки, практично не залежать від впливу гравітації. На рис. 2.54 показано два варіанти ударних пневматичних стендів.

Принцип роботи стенду з пневмогарматою (рис. 2.54 а) полягає в наступному. У робочу камеру/подається стислий газ. При досягненні заданого тиску, яке контролюється манометром, спрацьовує автомат 2 звільнення контейнера 3 де розміщений випробуваний об'єкт. При виході зі ствола 4 пневмогармати контейнер контактує з пристроєм 5, яке дозволяє вимірювати швидкість руху контейнера. Пневмопушка через амортизатори кріпиться до опорних стійк б. Заданий закон гальмування на амортизаторі 7 реалізується за рахунок зміни гідравлічного опору рідини, що перетікає 9 в зазорі між спеціально спрофільованою голкою 8 і отвором в амортизаторі 7.

Конструктивна схема іншого пневматичного ударного стенда, (рис. 2.54, б) складається з об'єкта випробувань 1, каретки 2, на якій встановлений об'єкт випробувань, прокладки 3 і гальмівного пристрою 4, клапанів 5, що дозволяють створювати задані перепади тиску газу на поршні б і системи подачі газу 7. Гальмівний пристрій включається відразу ж після зіткнення каретки та прокладки, щоб запобігти зворотному ходу каретки та спотворення форм ударного імпульсу. Управління такими щитами може бути автоматизовано. Там можна відтворити широкий діапазон ударних навантажень.

Як розгінний пристрій можуть бути використані гумові амортизатори, пружини, а також, в окремих випадках, лінійні асинхронні двигуни.

Можливості практично всіх ударних стендів визначаються конструкцією гальмівних пристроїв:

1. Удар випробуваного об'єкта з твердою плитою характеризується гальмуванням за рахунок виникнення пружних сил у зоні контакту. Такий спосіб гальмування об'єкта, що випробуваний, дозволяє отримувати великі значення перевантажень з малим фронтом їх наростання (рис. 2.55, а).

2. Для отримання перевантажень у широкому діапазоні, від десятків до десятків тисяч одиниць, з часом наростання їх від десятків мікросекунд до декількох мілісекунд використовують деформовані елементи у вигляді пластини або прокладки, що лежить на жорсткому підставі. Матеріалами цих прокладок може бути сталь, латунь, мідь, свинець, гума тощо. (Рис. 2.55, б).

3. Для забезпечення будь-якого конкретного (заданого) закону зміни п і т у невеликому діапазоні використовують деформовані елементи у вигляді наконечника (крешера), який встановлюється між плитою ударного стенду та випробуваним об'єктом (рис. 2.55, в).

4. Для відтворення удару з відносно великим шляхом гальмування застосовують гальмівний пристрій, що складається з свинцевої, пластично деформованої плити, розташованої на жорсткій підставі стенда, і жорсткого наконечника відповідного профілю, що вводиться в неї (рис. 2.55, г), закріпленого на об'єкті або платформі . Такі гальмівні пристрої дозволяють отримувати навантаження в широкому діапазоні n(t) з невеликим часом наростання, що доходить до десятків мілісекунд.

5. Як гальмівний пристрій може бути використаний пружний елемент у вигляді ресори (рис. 2.55, д), встановленої на рухомій частині ударного стенда. Такий вид гальмування забезпечує отримання відносно малих навантажень напівсинусоїдальної форми з тривалістю, що вимірюється мілісекундами.

6. Металева пластина, що пробивається, закріплена по контуру в підставі установки, у поєднанні з жорстким наконечником платформи або контейнера, забезпечує отримання відносно малих перевантажень (рис. 2.55, е).

7. Деформовані елементи, встановлені на рухомій платформі стенду (рис. 2.55, ж), у поєднанні з жорстким конічним уловлювачем забезпечують отримання тривалих перевантажень з часом наростання до десятків мілісекунд.

8. Гальмівний пристрій з шайбою, що деформується (рис. 2.55, з) дозволяє отримувати великі шляхи гальмування об'єкта (до 200 - 300 мм) при малих деформаціях шайби.

9. Створення в лабораторних умовах інтенсивних ударних імпульсів з великими фронтами можливе за умови використання пневматичного гальмівного пристрою (рис. 2.55, ы). До переваг пневмодемпфера слід віднести його багаторазове дію, і навіть можливість відтворення ударних імпульсів різної форми, зокрема і зі значним заданим фронтом.

10. У практиці проведення ударних випробувань широке застосування отримало гальмівне пристрій як гідравлічного амортизатора (див. рис. 2.54, а). При ударі випробуваного об'єкта об амортизатор його шток занурюється в рідину. Рідина виштовхується через очко штока згідно із законом, який визначається профілем регулюючої голки. Змінюючи профіль голки, можна реалізувати різний вид закону гальмування. Профіль голки можна отримати розрахунковим шляхом, але при цьому дуже важко врахувати, наприклад, наявність повітря в порожнині поршня, сили тертя в пристроях ущільнювачів і т.д. Тому розрахунковий профіль необхідно експериментально коригувати. Таким чином, розрахунково-експериментальним методом можна отримати профіль, необхідний реалізації будь-якого закону гальмування.

Проведення ударних випробувань у лабораторних умовах висуває ряд спеціальних вимог до монтажу об'єкта. Так, наприклад, максимально допустиме переміщення у поперечному напрямку не повинно перевищувати 30% від номінальної величини; як при випробуваннях на ударну стійкість, так і при випробуваннях на ударну міцність, виріб повинен мати можливість встановлюватися в трьох взаємно перпендикулярних положеннях з відтворенням необхідної кількості ударних імпульсів. Разові характеристики вимірювального та реєструючого обладнання повинні бути ідентичними у широкому діапазоні частот, що гарантує правильну реєстрацію співвідношень різних частотних складових вимірюваного імпульсу.

Внаслідок різноманітності передавальних функцій різних механічних систем той самий ударний спектр може бути викликаний ударним імпульсом різної форми. Це означає, що немає однозначної відповідності деякої тимчасової функції прискорення і ударного спектра. Тому з технічної точки зору правильніше задавати технічні умови на ударні випробування, що містять вимоги до ударного спектру, а не до тимчасової характеристики прискорення. В першу чергу це відноситься до механізму втомного руйнування матеріалів внаслідок накопичення циклів навантажень, які можуть бути різними від випробувань до випробування, хоча пікові значення прискорення та напруги залишатимуться постійними.

При моделюванні ударних процесів системи визначальних параметрів доцільно складати за виявленими факторами, необхідні досить повного визначення шуканої величини, яку іноді можна знайти тільки експериментальним шляхом.

Розглядаючи удар масивного, вільно рухається жорсткого тіла по деформується елементу відносно малого розміру (наприклад, по гальмівному пристрої стенда), закріпленому на жорсткому підставі, потрібно визначити параметри ударного процесу і встановити умови, за яких такі процеси будуть подібними один до одного. У випадку просторового руху тіла можна скласти шість рівнянь, три з яких дає закон збереження кількості руху, два — закони збереження маси і енергії, шостим є рівняння стану. У зазначені рівняння входять такі величини: три компоненти швидкості Vx Vy \ Vz> щільність р, Тиск р та ентропія. Нехтуючи диссипативными силами і вважаючи стан деформируемого обсягу изоэнтропическим, можна виключити із числа визначальних параметрів ентропію. Оскільки розглядається лише рух центру мас тіла, можна не включати до числа визначальних параметрів компоненти швидкостей Vx, Vy; Vz і координати точок Л", Y, Z всередині об'єкта, що деформується. Стан деформованого обсягу буде характеризуватись наступними визначальними параметрами:

густиною матеріалу р;
тиском р, яке доцільніше враховувати через величину максимальної місцевої деформації та Otmax, розглядаючи її як узагальнений параметр силової характеристики у зоні контакту;
початковою швидкістю удару V0, яка спрямована по нормалі до поверхні, на якій встановлено елемент, що деформується;
поточним часом t;
масою тіла т;
прискоренням вільного падіння g;
модулем пружності матеріалів Е, оскільки напружений стан тіла при ударі (за винятком зони контакту) вважається пружним;
характерним геометричним параметром тіла (або елемента, що деформується) D.

Відповідно до ТС-теореми, з восьми параметрів, серед яких три мають незалежні розмірності, можна скласти п'ять незалежних безрозмірних комплексів:

Безрозмірні комплекси, складені з визначених параметрів ударного процесу, будуть деякими функціями незалежних безрозмірних комплексів П1 - П5.

До визначених параметрів відносяться:

поточна місцева деформація а;
швидкість тіла V;
контактна сила Р;
напруга усередині тіла а.

Отже, можна записати функціональні співвідношення:

Вигляд функцій /1, /2, /е, /4 може бути експериментально, з урахуванням великої кількості визначальних параметрів.

Якщо при ударі в перерізах тіла поза зони контакту не з'являються залишкові деформації, то деформація матиме місцевий характер, і, отже, комплекс Я5 = рУ^/Е можна виключити.

Комплекс Jl2 = Pttjjjax) ~ Cm називається коефіцієнтом відносної маси тіла.

Коефіцієнт сили опору пластичному деформуванню Cp пов'язаний безпосередньо з показником силової характеристики N (коефіцієнтом податливості матеріалу, що залежать від форми тіл, що стікаються) наступною залежністю:

де р - Наведена щільність матеріалів у зоні контакту; Cm = т/(ра?) — наведена відносна маса тіл, що стукаються, що характеризує відношення їх наведеної маси M до наведеної маси деформованого обсягу в зоні контакту; xV – безрозмірний параметр, що характеризує відносну роботу деформування.

Функцією Cp - /з(Я1(Яг, Я3, Я4) можна скористатися визначення перевантажень:

Якщо забезпечити рівність числових значень безрозмірних комплексів IJlt Я2, Я3, Я4 для двох ударних процесів, ці умови, тобто.

будуть критеріями подібності даних процесів.

При виконанні зазначених умов однаковими будуть і числові значення функцій /ь/р./з» Л» ті-в подібні моменти часу -V CtZoimax-const; ^r= const; Cp = const, що дозволяє визначати параметри одного ударного процесу простим перерахуванням параметрів іншого процесу. Необхідні та достатні вимоги фізичного моделювання ударних процесів можна сформулювати таким чином:

Робочі частини моделі та натурного об'єкта мають бути геометрично подібними.
Безрозмірні комплекси, складені з визначальних пари, метрів, повинні задовольняти умові (2.68). Вводячи масштабні коефіцієнти.

Необхідно мати на увазі, що при моделюванні лише параметрів ударного процесу напружені стани тіл (натури та моделі) будуть обов'язково різними.

Механізм дії удару.У механіці абсолютно твердого твердого тіла удар розглядається як стрибкоподібний процес, тривалість якого нескінченно мала. Під час удару в точці дотику тіл, що суударяются, виникають великі, але миттєво діючі сили, що призводять до кінцевої зміни кількості руху. У реальних системах завжди діють кінцеві сили протягом кінцевого інтервалу часу, і зіткнення двох тіл, що рухаються, пов'язане з їх деформацією поблизу точки дотику і поширенням хвилі стиснення всередині цих тіл. Тривалість удару залежить від багатьох фізичних факторів: пружних характеристик матеріалів тіл, що сударяються, їх форми і розмірів, відносної швидкості зближення і т.д.

Зміна прискорення у часі прийнято називати імпульсом ударного прискорення чи ударним імпульсом, а закон зміни прискорення у часі – формою ударного імпульсу. До основних параметрів ударного імпульсу відносять пікове ударне прискорення (перевантаження), тривалість дії ударного прискорення та форму імпульсу.

Розрізняють три основні види реакції виробів на ударні навантаження:

* балістичний (квазіамортизаційний) режим збудження (період власних коливань ЕУ більше тривалості імпульсу збудження);

* квазірезонанансний режим збудження (період власних коливань ЕУ приблизно дорівнює тривалості імпульсу збудження);

* Статичний режим збудження (період своїх коливань ЕУ менше тривалості імпульсу збудження).

При балістичному режимі максимальне значення прискорення ЕУ завжди менше пікового прискорення ударного імпульсу, що впливає. КвазірезонанаснийКвазірезонансний режим збудження найбільш жорсткийжорсткий за величиною збуджуваних прискорень (m більше 1). При статичному режимі збудження відгук ЕУ повністю повторює імпульс, що впливає (m=1), результати випробувань не залежать від форми і тривалості імпульсу. Випробування статичної області еквівалентні випробуванням вплив лінійного прискорення, т.к. його можна як удар нескінченної тривалості.

Випробування на ударне навантаження проводять у квазірезонансному режимі збудження. Ударну міцність оцінюють за цілісністю конструкції ЕУ (відсутність тріщин, сколів).

Випробування на ударну стійкість проводять після випробувань на ударну міцність під електричним навантаженням для перевірки здатності ЕУ виконувати свої функції за умов дії механічних ударів.

Крім механічних ударних стендів застосовують електродинамічні та пневматичні ударні стенди. В електродинамічних стендах через котушку збудження рухомої системи пропускають імпульс струму, амплітуда та тривалість якого визначають параметри ударного імпульсу. На пневматичних стендах ударне прискорення отримують при зіткненні столу зі снарядом, випущеним з пневматичної гармати.

Характеристики ударних стендів змінюються в широких межах: вантажопідйомність – від 1 до 500 кг, число ударів за хвилину (регулюється) – від 5 до 120, максимальне прискорення – від 200 до 6000 g, тривалість ударів – від 0,4 до 40 мс.