Магнитный шлем

[22sobaki.livejournal.com]

Профессиональный игрок в американский футбол в течение сезона получает 500-600 ударов в голову, и более половины из них происходит при столкновении с головами других игроков.


Ускорение, воздействующее при этом на мозг, составляет от 20g до 150g (а уже 100g достаточно, чтобы получить сотрясение мозга). В итоге у 96% бывших игроков NFL - травматическая энцефалопатия - болезнь профессиональных боксеров.

Однажды нейробиолог Raymond Colello смотрит матч по американскому футболу, в очередной раз расстраивается из-за столкновений, подходит к холодильнику, чтобы достать пивка, видит на дверце магнитики и выдает мысль: надо вмонтировать в шлем магниты.

Colello предлагает вмонтировать в боковую и переднюю части шлема неодимовые магниты так, чтобы при сближении двух шлемов возникали бы силы отталкивания. По утверждению ученого, магнитные пластины весом в 1/3 фунта (150 г) на расстоянии 6 мм друг от друга создадут силу отталкивания в 45 кг (441 Н).

Испытания показали, что магнитный шлем работает: снижает ускорение (перегрузку) при ударе со 140g до 88g, тогда как стандартные на сегодня шлемы - со 140g до 96g. На очереди краш-тесты на манекенах - изобретатель хочет быть уверен, что поступательное движение действительно замедляется, а не переходит, например, во вращательное.

Предполагается, что удорожание каждого шлема на 100$ и утяжеление его на 450 г не остановит Национальную футбольную лигу.



http://news.sciencemag.org/brain-behavior/2014/11/could-magnets-helmets-reduce-football-concussions
https://www.sciencenews.org/article/magnets-helmets-might-make-football-safer

Comments

[agalakhov.livejournal.com]

Так-то магнитные силы консервативные, значит, там скорее всего все-таки переход во вращательную или еще в какую-то. Хотя, быть может, просто превращение короткого резкого удара в длительные более слабые колебания.

[kichiro-sora.livejournal.com]

Также, чисто теоретически, если два магнита направленные друг в друга, останавливаюстя с Х км/ч до нуля на том же интервале пространства, но без касания - то ускорение *возрастет* а не уменьшиться, не?....

[agalakhov.livejournal.com]

Нет. Уменьшится. Потому что магниты тормозят на всей траектории от начала и до конца, а без магнитов торможение до касания вообще не начинается.

Другое дело, что энергия после этого оказывается накоплена в магнитном поле и куда-то должна высвободиться. Высвобождается, ясен пень, механически. Поглощаться ей, кроме как в голове, негде. Преобразования в тепло на неупругих деформациях, как при обычном ударе происходит, тут нет. Вот и вопрос, насколько опасен второй удар - в момент отскока магнитов, и сколько всего таких колебаний будет. Что для мозга безопаснее, один сильный удар или серия слабых, еще неизвестно.

Вот вещества вроде ваты, масла, пластилина и т.д. удар действительно гасят. В них почти все деформации неупругие, энергия на торможении сразу же уходит в тепло. Добротность колебаний ничтожная. В отличие от стальных пружин, магнитов, каучука, где добротность бывает огромной.

[kichiro-sora.livejournal.com]

Да, точно, не подумал сам дурак.

[simsun.livejournal.com]

интуитивно какое то скольжение-скатывание получается, можно наверное шею свернуть

[drvit.livejournal.com]

откуда вращательный момент то возьмётся? просто уйдут от прямого столкновения к сользящему удару -- уже польза

[agalakhov.livejournal.com]

Момент был изначально, когда удар пришелся не точно в центр. Дальше вопрос в том, куда он по закону сохранения уйдет - будет ли крутиться шлем на голове, или же голова на шее, или, быть может, вообще ничего крутиться не будет, а момент импульса унесут с собой отлетающие обломки. С магнитами очень может получиться гибрид первого и второго вариантов, когда шлем сначала поворачивается на голове, а потом застревает на ней косо.

[drvit.livejournal.com]

Зачем тут все эти высокие материи и дальнодействующие силы, когда обычный удар по касательной вызывает самый что ни на есть разворот шлема. и ничего, никто особо не паникует, потому что "а, ну это все знают, это сила трения -- а тут всё-таки таинственные магниты, это другое...".

[agalakhov.livejournal.com]

А вы не задумывались, почему со времен войны не делают шлемов на стальных пружинах? :) Все поролон да пенопласт...

Магниты очень похожи на стальную пружину по своему движению. И имеют те же недостатки.

[drvit.livejournal.com]

А что, сила упругости обычной пружины сильно неконсервативна что ли?

[agalakhov.livejournal.com]

Консервативна. Именно поэтому обычные пружины никогда не используют в таких вещах, как шлемы. В амортизаторах ставят обычно пружину в густом масле или пружину с возушным успокоителем, а в шлемах - материалы, склонные к неупругой деформации, или губки, которые по сути представляют собой много маленьких воздушных успокоителей.

[drvit.livejournal.com]

То есть всё-таки лучше прямо лбом о бетонную стену, чем лбом о пружину на стене, потому что пружина всё-равно консервативна?

[agalakhov.livejournal.com]

Лучше о закрепленную на стене подушку с перьями, потому что подушка неконсервативна.

Если лбом о хорошую добротную пружину на стене, тогда от пружины отскочишь и треснешься затылком о противоположную стену или об пол. Сила удара остается примерно той же, только удар будет не лбом, а затылком, что хуже. Даже если затылком тоже по пружине, это все равно очень опасно.

С консервативным шлемом та же петрушка. Били в лоб, а шлем на голове прыгнет и наподдаст по затылку и по вискам. Хоть энергия и разделится на несколько ударов, зато сами удары пойдут с разных сторон, в том числе по очень уязвимым точкам головы. Я не рискну утверждать, что это безопаснее для здоровья, чем один сильный удар. Тут нужно отдельное исследование влияния таких ударов на человека. Как я понимаю, это вообще ни фига не изучено.

[drvit.livejournal.com]

Это что же, у меня от стены до стены 30см что ли? Вообще-то метров пять. Это я так сильно отлечу от небольшого удара? А если на другой стороне тоже пружина, так и буду летать туда сюда до Конца Света? Всё-таки, получается, лучше сразу лбом о бетон?

[agalakhov.livejournal.com]

Вот метров пять и пролетите, с хорошей -то пружиной. А если не долетите, тогда затылком об пол. А если устоите на ногах, тогда у вас голову с шейных позвонков сорвет, при хорошем-то ударе. А если всюду хорошие пружины, то летать будете... до тех пор, пока энергия ударов не израсходуется наконец на разрушение мозга. Вряд ли это будет долго.

Вы сейчас пытаетесь подменить задачу. Если биться головой об стену, мышцы шеи, те самые, которые нанесли удар, получат от пружины энергию обратно и диссипируют ее. Поэтому вы можете удариться об резину на стене достаточно слабо, чтобы после него не последовал отскок - вы просто понижаете добротность системы собственной шеей.

В случае шлема фокус не пройдет. Во-первых, "противоположная стена" там даже не в 30 см, а в паре сантимеров от головы, и удар о нее - будет. Во-вторых, про шею можете забыть - мышцы шеи не успеют напрячься, весь удар поглотится системой шлем-мозг. То бишь при добротном шлеме, опять же, вся энергия пойдет на разрушение мозга. И низкое ускорение не спасет.

[drvit.livejournal.com]

С чего вы взяли , что голова в шлеме болтается, да ещё и упруго?.. Вы хоть раз в , скажем, мотоциклетном шлеме ходили? Какие ещё "много маленьких ударов вместо одного большого" ? Скажите честно, какое у вас образование.

[agalakhov.livejournal.com]

Упругость поролона и тем более ваты - очень сильно неконсервативна. Резина и стальная пружина консервативны. Воздух в закрытом сосуде консервативен, воздух в сосуде с отверстием - нет ("воздушный успокоитель", сильное трение воздуха при проходе через отверстие). Любая конструкция в вязкой жидкости (пружина в густом масле) неконсервативна, для конструкций вроде автомобильных амортизаторов этого достаточно.

Пример: велосипедные шлемы обычно "одноразовые", жесткий пластик снаружи и пенопласт внутри. Принцип действия: жесткий пластик распределяет удар по пенопласту, затем пенопласт ломается и диссипирует энергию удара.

[drvit.livejournal.com]

Так я не понял, раз резина консервативна, то что о нё биться головой, что о камень -- одинаково? Или к чему вообще это всё про консервативность было написано под новостью про уменьшение ускорений при ударе?..

[agalakhov.livejournal.com]

К тому, что "снижение ускорения" не гарантирует "снижение опасности".

К тому, что "биться головой" - это совсем не то же самое, что "голова в шлеме".

Если биться головой самому, то энергия диссипируется в шее. Тут все нормально - резина снижает ускорение, эффект достигнут.

Если бьют ПО голове, находящейся в шлеме, все намного хуже. Происходит замена удара с большим ускорением на серию ударов с разных сторон с меньшим ускорением. Суммарная энергия ударов остается прежней.

Исследования опасности ускорений для мозга проводились для ЕДИНИЧНОГО удара с одной стороны. Серия слабых ударов с разных сторон может быть опаснее, чем единичный сильный удар.

Можно осторожно предположить, что опасность для головы связана не с ускорением, а с энергией, приходящейся на мозг. При единичном ударе от ускорения напрямую зависит, какой процент энергии достается мозгу, а какой поглощается шеей и остальным телом. (Слабее удар - больше работает шея, меньше работает ликвор). При множественных ударах прямая зависимость пропадает, поскольку колебания мозга начинают зависеть от предыстории ударов. Шлем с высокой добротностью на передаваемую мозгу энергию влияет слабо.

[drvit.livejournal.com]

Может быть опаснее, может -- не быть опаснее. Болтать, если нет данных, меньше надо просто, вот и всё.

[agalakhov.livejournal.com]

Нет уж, в системах безопасности такой подход неуместен. Это что же получается - делаем шлем с неисследованной эффективностью, надеваем его на людей, а потом на живых людях выясняем, опаснее он или нет? Добровольцем будете? Вообще-то на эти грабли уже не раз наступали. Например, мне ЛИЧНО известен случай утопления человека из-за спасательного жилета неудачной конструкции - жилет плавал хорошо, слишком хорошо, из-за чего зажатый под перевернутой лодкой человек не смог из-под нее вынырнуть, а воздуха там не было. Снять жилет он тоже не смог - застежки хорошие были, надежные. Еще были ремни безопасности, удушающие человека, еще была "профилактика" левомицетином заболеваний у детей в СССР, приведшая потом к массовой глухоте... продолжать?

Если нет данных, то использовать метод для обеспечения безопасности - НЕЛЬЗЯ. Точка. Системы обеспечения безопасности НИКОГДА не должны базироваться на предположениях. Это правило писано кровью.

[drvit.livejournal.com]

Если вы чего-то не знаете, то это не значит, что этого не знает никто. Исследования по опасности ускорений при разных их длительностях -- проводились. Я видел таблицы, но сейчас искать не стану. Общее правило простое: при одной и той же скорости растягивать время торможения -- выгодно. Точка.

[agalakhov.livejournal.com]

Только при однократном ударе с одного и того же направления.

Например, в диссертации Anna Ouer 2012-го года утверждается, что "Significant results were dependent upon the impact angle and location". При небольшом (в пределах 15 градусов) изменении угла. УПС. Иначе говоря, если платой за растягивание времени торможения является перенос удара в другую точку, это далеко не всегда выгодно.

Работа, заметьте, вполне свеженькая. Уже по дате становится ясно, что область исследована очень плохо. Если только в 2012 году появились достоверные экспериментальные данные о том, как влияет угол удара на движение тканей мозга... ох...

[agalakhov.livejournal.com]

Нет. При том положении вещей, которое сейчас видно поиском по статьям по биомеханике, шлемы, способные размножать удар, делать пока нельзя. Обычный амортизатор с диссипацией (на любом принципе), снижающий ускорение и не меняющий точку приложения - да, хорошо, доказано (см., напр., J. Biom. Eng. 131, 061016 (2009)). А если точка приложения может измениться - на фиг на фиг: данных почти нет, а те, что есть, утверждают, что так иногда можно сделать хуже.

[drvit.livejournal.com]

Информация о том, какие нарпавления ускорений для мозга наиболее опасны, известны довольно давно, это вам любой боксёр подтвердит, и при упрямстве -- и продемонстрирует. Так что насчёт "только в 2012 году" это вы загнули...