Lässt sich der Stoß in der Mechanik wirklich besser als Ruck statt als Beschleunigung ausdrücken?

Einige teure elektronische oder mechanische Geräte sind stoßfest ausgelegt. Allerdings vermarkten die Hersteller den Grad der Stoßfestigkeit oft in Einheiten der g-Kraft (ich weiß, dass die g-Kraft wirklich ein Maß für die Beschleunigung ist). Ich bin nicht wirklich davon überzeugt, dass das die richtige Einheit ist.

Tatsächlich beschreibt der Wikipedia-Artikel für mechanische Erschütterungen Erschütterungen als plötzliche Beschleunigung oder Verzögerung . Hier scheint der Begriff „ plötzlich “ zu implizieren, dass die Beschleunigung oder Verzögerung während eines Schocks nicht konstant ist, was bedeuten würde, dass es eine Ruckkomponente in der Gleichung geben sollte, die die Bewegung oder Position des Objekts als Funktion der Zeit beschreibt.

Hier also meine drei zusammenhängenden Fragen:

  1. Wird Schock besser als g-Kraft pro Sekunde ausgedrückt? Wenn nicht, warum (dh warum ist G-Force eine bessere Einheit)?
  2. Wenn Sie ein kleineres Objekt, das einigermaßen steif ist (z. B. eine Armbanduhr mit Edelstahlgehäuse und -armband), gegen ein anderes Objekt schlagen, das ziemlich massiv, unbeweglich und starr ist (z. B. eine Backsteinmauer), wie sieht die Darstellung der Position als Funktion aus Wie sieht die Zeit tatsächlich aus, angenommen, wir können Zeiten und Entfernungen mit extremer Präzision aufzeichnen?
  3. Leiden herkömmliche mechanische Geräte hauptsächlich unter hoher Beschleunigung oder unter starkem Ruck?

Update Die Stoßfestigkeitsnorm ISO 1413 scheint einige Hinweise zu geben. Das Prüfverfahren besteht darin, einen 3 kg schweren Hartplastikhammer mit 4,43 m/s auf eine Uhr schlagen zu lassen. Was darauf hindeutet, dass wir uns wirklich um die sofortige Übertragung von Energie oder Impuls kümmern. Aber wie schnell erfolgt die Übertragung? Liegt es in der Granularität von Millisekunden oder Nanosekunden?

warum ruckeln, warum nicht knacken, knistern oder knallen?
Die Zeitskala der Übertragung wird durch die mechanischen Eigenschaften der Uhr bestimmt. Wenn die Uhr aus harten, steifen Materialien besteht, bremst sie den Hammer schneller ab.

Antworten (3)

In der Werkstoffkunde und im Maschinenbau gibt es durchaus Situationen, in denen der Ruck als Schadensfaktor wichtiger ist als die Beschleunigung. Ein Begriff, den ich gesehen habe, ist "Laderate". Dies kann sich auf beides beziehen D F / D T oder D A / D T , die sich um einen Faktor von unterscheiden M . Sie sehen die Akronyme ALR und ILR für durchschnittliche und momentane Laderate.

Eine konstante Kraft kann keine Wellenanregung verursachen, aber eine veränderliche Kraft schon. Wenn Sie zum Beispiel etwas auf einer Mühle oder Drehbank bearbeiten, erzeugt Ruck ein „Zwitschern“, das Ihre Arbeit verderben kann. Ingenieure, die Nocken entwerfen, arbeiten sehr hart daran, den Ruck des Nockenstößels zu minimieren: "Denken Sie auch daran, dass ein Ruck zu einem Impuls führt und ein übermäßiger Aufprall letztendlich zu einem abgenutzten und zerkratzten Nockenstößel führt." (Blair 2005)

Ich kenne ein paar gute Beispiele, die den menschlichen Körper betreffen. In der bemannten Raumfahrt sind Astronauten beim Start nicht nur hohen Beschleunigungen ausgesetzt, sondern teilweise auch einem sogenannten „Pogo“, also einer oszillierenden Beschleunigung in Längsrichtung. Ein Pogo mit einer Amplitude so klein wie 0,5 G kann anscheinend äußerst unangenehme Empfindungen in den Augäpfeln und Hoden sowie eine Erwärmung des Gehirns und der Eingeweide verursachen (Seedhouse 2013). Erwärmung ist ein Phänomen, das Sie nicht von einer statischen Kraft bekommen können.

Ein weiteres Beispiel für den menschlichen Körper sind Laufverletzungen. Messungen mit Beschleunigungsmessern, die an den Füßen, Beinen oder Hüften von Läufern angebracht sind, zeigen, dass es während eines Schrittzyklus typischerweise zwei verschiedene Spitzen gibt, eine Aufprallspitze und eine andere „aktive“ Spitze, die während des Vortriebs auftritt. Die Aufprallspitze hat eine geringere Beschleunigung, aber einen größeren Ruck und scheint der Faktor zu sein, der Verletzungen verursacht: "Eine erhöhte Aufprallbelastung war mit einem erhöhten Risiko verbunden, eine Laufverletzung zu erleiden, während die vertikale Spitzenkraft dies nicht war." (Davis 2010)

GP Blair, CD McCartan, H. Hermann, "The Right Lift", Race Engine Technology, Vol. 3, No. 3 Ausgabe 1, August 2005

Irene Davis, zitiert in http://lowerextremityreview.com/news/in-the-moment-sports-medicine/impacts-spell-injury , 2010

Erik Seedhouse, 2013, Pulling G: Human Responses to High and Low Gravity

Schocks sind definitionsgemäß diskontinuierliche, also nicht differenzierbare Sprünge in den relevanten Größen (z. B. Drucksprung über einen mechanischen Schock in Gas). Genau genommen denke ich, dass man keine angemessene abgeleitete Beschreibung zuordnen kann - Beschleunigung, ein Ruck und so weiter. Aus praktischer Sicht würde es jedoch wirklich darauf ankommen, auf welche Größe man betonen möchte, ob die Änderung der Kraft darauf ankommt, man könnte es als Ruck bezeichnen.

Wie können Schocks diskontinuierlich sein? Beschleunigt oder verzögert ein Objekt im Moment des Aufpralls nicht wirklich sehr schnell, nur weil die elektroschwache Kraft auf Teilchen- oder Atomebene in den wirksamen Bereich gelangt? Scheint es nicht nur diskontinuierlich zu sein, weil das menschliche Auge und Gehirn die Bewegung nicht schnell genug erfassen kann?
Okay, das ist fair. Was ich damit sagen wollte, war, dass Schock Veränderungen auf molekularer/atomarer Zeit- und räumlicher Ebene darstellt. In einem kontinuumsmechanischen Ansatz wird es also besser als Sprungprozess behandelt. Wenn Sie bereit sind, die Molekulardynamik zu modellieren, um die Kraftänderungen zu berechnen, müssen Sie eine ziemlich schwankende Beschreibung zulassen, um die tatsächliche Dynamik zu erfassen. Außerdem haben Sie auf jeden Fall nicht nur eine Kraft, das Kraftfeld ändert sich mit einer Geschwindigkeit, die sich ebenfalls ändert, sodass Sie eine viel höhere Ableitung als die Beschleunigung benötigen.
Es kommt also wirklich darauf an, welches Derivat Ihnen wirklich wichtig ist, für was auch immer Sie versuchen zu tun. Ich würde einen Ruck einer Beschleunigung und vielleicht einer höheren Ableitung vorziehen, um den Prozess zu beschreiben.
Es sieht so aus, als wären wir jetzt auf derselben Seite. Ich hatte auch den Verdacht, dass selbst Ruck kein ausreichend hohes Derivat ist. Aber dann schaue ich mir die ISO-Norm für Stoßfestigkeit an und es sieht so aus, als ob uns etwas fehlt: Vielleicht geht es nicht einmal um die Beschleunigung oder den Ruck, sondern um die Übertragung von Energie oder Impuls in einer gegebenen, wie Sie sagten, molekularen/atomaren Zeit- und Raumskalen. Nehmen wir also an, das richtige Maß ist die Änderung des Impulses im Laufe der Zeit, die in eine Einheit wie (kg * m/s)/s übersetzt wird, was effektiv Newton ist.
Nehmen wir an, der Hammer-Uhr-Aufprall führt zu einer Übertragung von 1,5 kg * 4,43 m/s über 1 Millisekunde. Das sind 1,5 kg * 4,43 m/s / 0,001 s = eine satte Kraft von 6645 Newton! Beachten Sie, dass die 1 Millisekunde nur meine wilde Vermutung des Zeitrahmens ist, in dem die elektrostatische Kraft auf molekularer / atomarer Ebene während des Aufpralls wirksam ist. Bin ich verrückt?
Nun, ich denke, Schock ist eine Terminologie, die normalerweise für Situationen mit gleichmäßigerer Druckwellenausbreitung reserviert ist. Zum Beispiel in Überschallströmung, einer Druckwelle von einer Explosion. Im Wesentlichen ein Prozess, bei dem sich eine Strömung schneller als Schallgeschwindigkeit ausbreitet, sodass Moleküle vor ihr diesen Schlag nicht kommen sehen. Der Hammer in einer Uhrsituation ist meiner Meinung nach viel weniger steil (selbst bevor der Hammer in die Luft schlägt, trifft er die Uhr). Wie auch immer, ich denke, es geht darum, welche Menge einen interessiert. Hier denke ich...
"Impuls" ist ein viel besseres Wort. Abgesehen von der Terminologie ist ein Impuls wie eine Delta-Funktion oder eine sehr scharfe Gaußsche Funktion. Es ist irgendwie sinnlos zu fragen, was die maximale Kraft ist, genauso wie es sinnlos ist zu fragen, was eine Delta-Funktion bei x = 0 ist. Ich denke, nur eine integrierte Größe über ein kleines Zeitfenster hat eine Bedeutung (wieder wie eine Delta-Funktion, die mit einer Funktion verflochten ist). Sie haben also Recht! Es ist wahrscheinlich auf eine gewisse Energie kalibriert, die in einer kleinen Zeiteinheit abgegeben wird. Die Zeiteinheit muss aus sachlich motivierten Gründen von der Regulierungsbehörde gewählt bzw. vereinbart werden.
@Sankaran, re: "oder ein sehr scharfer Gaußscher" - warum Gaußscher? Woher wissen Sie, dass es zum Beispiel exponentiell ist?
@alancalvitti Grundsätzlich könnte jede Funktion mit einem scharfen Abfall verwendet werden, um einen Impuls zu modellieren. Tatsächlich muss jede symmetrische Funktion an der Grenze der Breite, die sich Null nähert, zu einer Delta-Funktion tendieren.

Schock wird besser als g (oder eine andere Beschleunigungseinheit) ausgedrückt, da f = ma. Die Beschleunigung ist proportional zu der auf das Objekt ausgeübten mechanischen Kraft, die wiederum seine inneren mechanischen Spannungen quantifiziert.

Dies ist eine sehr oberflächliche Antwort, die die Frage nicht wirklich anspricht. Ben Crowells Antwort ist viel besser. Ruck kann Dinge in Schwingung versetzen, während konstante Beschleunigung dies nicht kann, sodass sowohl Ruck als auch Beschleunigung Schaden anrichten können.
Lässt sich der Stoß in der Mechanik wirklich besser als Ruck statt als Beschleunigung ausdrücken?
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