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]

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