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]

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]

Какое ещё "размножать удар" ?.. Откудаэтот бредовый термин взялся вообще?

[agalakhov.livejournal.com]

Объясняю: в случае высокодобротной пружины за ударом по шлему следует еще один удар распрямлением пружины. Который, кстати, ни фига не маленькое ускорение дает. Если пружина очень хорошая, последует еще и третий удар. Ну что тут непонятного?

Вам известен нехитрый инструмент "пружинный кернер", который за счет пружины превращает плавное надавливание в резкий удар? ПОВЫШАЕТ ускорение, а не понижает? Пользовались таким?

[drvit.livejournal.com]

Ну каким, каким образом пружинный кернер относится к амортизации удара пружиной или магнитом? Что за поток сознания.. Ладно, диагноз ясен, я удаляюсь.

[agalakhov.livejournal.com]

Вы утверждали, что пружина всегда снижает ускорение при ударе.
Я привел контрпример к вашему утверждению - основанный на пружине механизм с прямо противоположным действием.

Вывод: ваше утверждение, что пружина всегда снижает ускорение, неверно. В действительности от конструкции зависит, снижает или повышает пружина ускорение. С магнитами сделать конструкцию с повышением ускорения еще легче, ибо магнитное отталкивание закону Гука почти никогда не подчиняется, оно нелинейно по природе.

Про то, что вы повсеместно путаете ускорение ГОЛОВЫ и ускорение тела, УДАРЯЮЩЕГО по шлему, я уж вообще молчу. Так-то это вообще разные величины.

[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...

[agalakhov.livejournal.com]

О том я и говорю, что давно известно, что разные направления имеют разную опасность. Но до сих пор неизвестно, насколько именно. КОЛИЧЕСТВЕННЫХ данных нет. Что опаснее, один удар в лоб 100g или два удара по 30g, сначала в лоб, а потом в затылок отскоком пружины? Что вообще опаснее, один удар в лоб 100g или один удар в затылок 30g, если ни тот, ни другой, не вызывают нокаута?

Данные по долгосрочной опасности есть только от исследования спортсменов, которых регулярно бьют по головам. Там удары, ясное дело, во всех направлениях идут, зависимость от направления не измеришь. По зависимости от направления есть только грубые данные по вероятности нокаута. Количественные измерения реакции тканей мозга на ненокаутирующие ускорения впервые проделано в работе 2012 года, упомянутой выше. В работе сделан вывод "требуются дополнительные измерения".

По долгосрочной опасности исследования тоже свежие, 2000-е годы. Ну в принципе ясно, развитие медицины привело к тому, что врачи заинтересовались отдаленными последствиями старых ударов, а не только немедленными. До того интересовались в основном немедленными последствиями, и больше с военными целями (какой удар по голове может выдержать солдат так, чтобы после этого он все еще мог стрелять).

Вывод: современные данные позволяют считать безусловно безопасными только шлемы, не наносящие дополнительных ударов отскоками пружинящих элементов. Если колебания в шлеме не затухают за один период после удара, шлем нанесет дополнительные удары по другим частям головы в разных направлениях. Вероятность, что один из ударов будет в очень неблагоприятном направлении, при этом гораздо выше, чем вероятность того, что в неблагоприятном направлении был исходный удар.

[drvit.livejournal.com]

Нет никаких "ударов отскоками пружинящих элементов". Есть превращение одного короткого и огромного по величине ускорения при изменении скорости от V до 0 (жёсткий абсолютно неупругий удар, dV=V) в ускорение, на порядок ( или даже на порядки ) более долгое но и меньшее по величине при изменении скорости от V до -V (абсолютно упругий удар, dV=2V).
В случае с магнитными амортизаторами dV<2V, так как после изменения траектории сила отталкивания может смениться силой притягивания в зависимости от конфигурации магнитов.
Именно уменьшение величины ускорения на порядок и приводит к уменьшению повреждений мозга.

[agalakhov.livejournal.com]

Ну это неправда.

Во-первых, пружинящий элемент снижает ускорение не за просто так, за здорово живешь. Есть третий закон Ньютона - второй конец пружины держится на голове. Есть масса шлема. При ударе ускорение головы определяется силой со стороны пружины. Она равна силе, тормозящей предмет, ударивший шлем, за вычетом ma подвижной части шлема. Удар положим по лбу. Допустим, жесткость пружины достаточно велика, чтобы остановить скорость в 0 (если нет, то тогда пружина сожмется до упора, и дальше уже будет удар, не смягченный пружиной - не рассматриваем этот случай). После этого пружина осталась сжата, сила продолжает действовать. С этого момента масса подвижной части шлема и пружина образуют классический пружинный маятник. Энергия сжатой пружины равна всей энергии, полученной при ударе. Пружина продолжает давить на голову, за счет этого полностью распрямляется. Теперь скорость поверхности шлема снова велика (при идеальной пружине - равна первоначальной скорости при ударе), шлем проходит точку равновесия, и теперь пружина работает уже на растяжение (или, что то же самое, на сжатие с давлением на затылок). Легко показать, что при этом сила, действующая на затылок (а значит, и ускорение головы) равна силе, которая до того действовала на лоб. Потом процесс повторяется. Если пренебречь трением о воздух и неидеальностью пружины, то единственный путь расхода энергии колебаний - это их диссипация мягкими тканями мозга. Пока вся кинетическая энергия удара не перекачается в мозг, колебания будут продолжаться. Ой.

Что имеем в сухом остатке. Было: удар по лбу. Стало: колебания шлема, приводящие к периодическим воздействиям затылок-лоб-затылок-лоб, сила каждого из воздействий примерно такая же, как при первоначальном ударе. Понижения скорости на порядки тут не будет, результаты измерений из статей для практических размеров шлема - в несколько раз. Положим, в 5 раз, это даже лучше, чем в статьях писали. Итого вместо 100g имеем длинную серию периодических воздействий на лоб и затылок по 20g. Дальше вопрос: а с чего мы взяли, что это безопаснее? Имеющиеся данные говорят скорее об обратном.

[drvit.livejournal.com]

>теперь пружина работает уже на растяжение
один футболист другого что ли пружиной пронзил, и она так в супостате и застряла?

[agalakhov.livejournal.com]

А шлем что, с головы слетел, что ли? Шлем из двух частей, внешней и внутренней, между ними пружина. Внешняя часть при распрямлении пружины проскочила точку равновесия и теперь тянет внутреннюю в сторону, противоположную удару. Удар был по лбу, пружина на лбу сжалась. Потом пружина на лбу распрямляется и проскакивает точку равновесия, теперь уже пружина на затылке сжимается, возникает давление на затылок. И так несколько раз. Это не зависит от того, закреплен ли внутренний конец пружины на охватывающем голову обруче или нет. Если нет, то только хуже, потому что пружина еще и стучать по голове начинает на каждом колебании.

Вот если шлем "одноразовый", то есть после удара он с головы слетает, тогда проблемы действительно нет. К примеру, пусть шлем защищает только лоб и держится на легко рвущихся завязках. Тогда процесс будет таким, как вы его себе представляете: пружина сжалась, поглотила удар, потом распрямилась и все. Дальше пружина улетает, нет проблем.

Иное дело, если шлем на голове держится. Чтобы его удержать на голове при распрямлении пружины, потребуется большая сила. Она будет приложена к затылку и сама имеет характер удара. В задачнике Иродова как раз похожая задачка была, одна из моих любимых.

[drvit.livejournal.com]

>Шлем из двух частей, внешней и внутренней, между ними пружина
Нет такого. Конструкция шлема приведена ниже в комметариях. То, что это не так, понятно также из исходного описания: " ...чтобы при сближении двух шлемов возникали бы силы отталкивания...магнитные пластины ... на расстоянии 6 мм друг от друга создадут силу отталкивания".

[agalakhov.livejournal.com]

То есть изобретен магнитный монополь?

Даже если магнитами покрыть шлем со всех сторон северным полюсом наружу, внизу образуется южный полюс. Повышение вероятности удара по незащищенной части. Если же покрыть вообще все, включая шею, тогда отталкивание исчезнет. div B = 0, одно из уравнений Максвелла.

[drvit.livejournal.com]

Правильно, не сдаваться -- если уличили в одной глупости, не оправдывайтесь, сразу переключайтесь на другую, как будто ничего и не было!
Про монополи читать сюда: http://engineering-ru.livejournal.com/305538.html?thread=19072130#t19072130