Wie berechnet man die Kraft eines Aufpralls bei einer bestimmten Geschwindigkeit (Motorradschutz)?

Ok, lassen Sie uns zuerst die Zahlen klarstellen.

$20kN$ist eine Kraft, keine Energie.$50J$ist Energie, nicht Kraft.

Ich denke, in Ihrem Beitrag sprechen Sie von zwei Szenarien. Wenn Sie von Ihrem Motorrad "fallen" und auf dem Boden rutschen, besteht die Gefahr nicht so sehr in der Kraft, die Sie verlangsamt (was im Grunde nur Reibung ist), sondern in der Reibung, die Ihre Haut, Ihr Fleisch, Ihre Knochen usw. beschädigt. Wenn Sie gegen eine Mauer stoßen ab einer gewissen geschwindigkeit hast du kinetische energie$E_{kin}=\frac{1}{2}mv^2$, Wo$m$ist Ihre Masse, und$v$deine Geschwindigkeit. Die Wand wird Sie mit sehr wenig Platz (und Zeit) verlangsamen, daher ist die Kraft extrem hoch. Schutzausrüstung ist einerseits so konzipiert, dass sie der abrasiven Reibung standhält, um Ihre Haut zu schützen, und andererseits, um die durch den Aufprall erzeugte Kraft zu reduzieren, um Ihre Organe, hauptsächlich Ihre Wirbelsäule und Ihren Kopf, zu schützen.

Auf Wikipedia heißt es, dass die Dämpfungseigenschaften gemessen werden, indem ein 5-kg-Zylinder auf die Schutzausrüstung fallen gelassen und die übertragene Kraft gemessen wird. Sie können die Energie des Zylinders wie folgt berechnen:$E_{pot}=m\cdot g \cdot h$Wo$m$ist die Masse des Zylinders,$g=9.81\frac{m}{s^2}$die Erdbeschleunigung u$h$die Höhe, aus der der Zylinder fallen gelassen wird.

Theoretisch kann man die Reaktionskraft berechnen, wenn man weiß, wie viel Platz man hat, um die kinetische Energie des Zylinders abzubauen:$E_{dis}=F\cdot d$, Wo$F$ist die Kraft und$d$die Entfernung, aber es ist schwer vorherzusagen$d$da es von einer Vielzahl von Faktoren und Materialeigenschaften abhängt.

Zur Beantwortung dieser Frage benötigen wir einige Formeln:

• Kinetische Energie:$E_k = \frac{1}{2} m v^2$; das ist die an Bewegung gebundene Energie.$m$ist die Masse des bewegten Objekts,$v$seine Geschwindigkeit.
• Potenzielle Energie:$E_p = m g h$; Dies ist die Energie, die ein Objekt beim Abstieg aus der Höhe verbrauchen kann$h$.$g = 9.81$MS$^2$.
• Newtons zweites Gesetz:$F = m\, a = m \frac{\Delta v}{\Delta t}$; das ist die Kraft eines Massenkörpers$m$erhält, wenn er seine Geschwindigkeit einer Größe ändert$\Delta v$in einer Zeit$\Delta t$. Ich gehe davon aus, dass die Masse konstant bleibt, sonst müsste sich die Formel etwas ändern. Als Faustregel gilt: Eine Kraft von 10 N entspricht in etwa einer Körperbelastung von 1 kg.
• Beschleunigung:$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$; Sie können die Anzahl der „g“s erhalten, indem Sie diese Zahl durch 9,81 m/s teilen$^2$. Kräfte werden in Newton (N), Energien in Joule (J) gemessen. Andere Einheiten werden als SI-Einheiten ausgedrückt (kg für Massen, m/s für Geschwindigkeiten, m für Längen, s für Zeiten).

Lassen Sie uns über das erste Problem sprechen, den Unterschied zwischen dem Aufprall auf eine Wand und dem Rutschen auf Asphalt. Für jeden Fahrertyp gibt es drei Hauptgeschwindigkeiten zu berücksichtigen, die von dem Land abhängen können, in dem Sie leben, aber alle ungefähr die gleichen Werte haben: Stadtgeschwindigkeit (50 km/h oder 13,9 m/s), Landgeschwindigkeit (90 km/h oder 25 m/s) und Autobahngeschwindigkeit (130 km/h bzw. 36,1 m/s). Für den Reiter gehe ich von einer Masse aus$m$= 80 Kilogramm. Die Masse des Motorrads spielt keine Rolle, wenn sich beide bei einem Sturz trennen.

Anhand der Formel für kinetische Energie können wir leicht erkennen, dass die Energien für die drei Geschwindigkeiten 7,7 kJ, 25 kJ und 52 kJ betragen. Wie Sie sehen können, baut sich mit zunehmender Geschwindigkeit schnell Energie auf. Das ist die Energie, die allein der Fahrer abbauen muss, wenn er stehen bleibt, unabhängig von der gewählten Methode.

Wenn Sie diese drei Energien teilen durch$m\, g$Sie können die äquivalente Höhe eines vertikalen Falls ohne Luftreibung erhalten. Diese Höhen betragen jeweils etwa 10 m, 32 m und 66 m.

Das eigentliche Problem kommt jetzt. Wir haben über Energie gesprochen, aber das reicht nicht aus, um zu verstehen, was bei einem Sturz passiert. Für ein besseres Verständnis müssen wir Kräfte einsetzen. Wir wissen was$\Delta v$Das heißt, es ist die Endgeschwindigkeit (0 m/s) minus einer der oben angegebenen Geschwindigkeiten. Da uns die Richtung der Kraft nicht wirklich interessiert, können wir das vernachlässigen$\Delta v$negativ ist und das einfach sagen$\Delta v$ist die Anfangsgeschwindigkeit.$\Delta t$auf der anderen Seite ist es etwas kniffliger. Sie hängt sowohl beim Aufprall auf eine Wand als auch auf der Rutsche von der Anfangsgeschwindigkeit ab, jedoch auf unterschiedliche Weise. Um das Problem ein wenig zu vereinfachen, gehe ich davon aus, dass es stattdessen konstant ist. Für den Frontalzusammenstoß ist das Zeitintervall zwar kurz, aber nicht augenblicklich. Ich würde im Durchschnitt 0,05 s schätzen. Für die Folie habe ich mir ein paar Videos auf Youtube angesehen und ich denke, 5 s sind ausreichend.

Mit diesen Zahlen können wir berechnen, dass der Fahrer beim Aufprall eine Kraft von 22 kN (28 g), 40 kN (51 g) bzw. 58 kN (74 g) erhält, während die Kräfte beim Rutschen 220 N (0,3 g) betragen ), 400 N (0,5 g) und 580 N (0,7 g). Ich möchte betonen, dass dies grobe Schätzungen sind, aber sie sollten Ihnen eine Vorstellung davon geben, was diese Zahlen bedeuten. Die ersten drei sind buchstäblich erdrückende Kräfte, während die anderen drei wahrscheinlich nur schmerzhaft sind.

Für den zweiten Teil Ihrer Frage scheinen einige Mengen, wie Andrew bereits betonte, keinen Sinn zu ergeben. 50 J Energie scheinen eine wirklich kleine Menge zu sein, verglichen mit einer Kraft von 20 kN. Ich kann nur annehmen, dass die beteiligte Energie 50 kJ beträgt, dies wäre plausibler. In jedem Fall sollten die oben angegebenen Zahlen, auch wenn es sich um eine grobe Schätzung handelt, ausreichen, um Ihnen ein grundlegendes Verständnis dessen zu vermitteln, was vor sich geht.

Hier ist die Direktive etwas detaillierter .

EN1621-1 Rüstung für alle Körperteile (außer Rücken/Wirbelsäule)

Es gibt zwei europäische Normen für „Schutzkleidung für Motorradfahrer gegen mechanische Einwirkung“ – EN1621-1 und EN1621-2. EN1621-1 deckt alle Körperteile ab, außer Rücken/Wirbelsäule. EN1621-2 deckt Rücken/Rücken ab. Beide Normen bewerten die Leistung von Schutzeinrichtungen, indem sie die Kraft messen, die durch sie übertragen wird, wenn sie von einer fallenden Masse getroffen werden.

EN1621-1 bewertet Rüstungen, die zum Schutz der Schulter-, Ellbogen- und Unterarm-, Hüft-, Steißbein-, Knie- und Unterschenkelregionen entwickelt wurden. Die Testvorrichtung besteht aus einer Masse von 5 kg mit einer Schlagfläche von 40 mm x 30 mm, die auf die Probe fallen gelassen wird, die oben auf einer halbkugelförmigen Kuppel mit einem Radius von 50 mm montiert ist. Der Amboss ist ferner auf einer Lastzelle montiert, wodurch eine Messung der durch die Schutzvorrichtung übertragenen Kraft ermöglicht wird. Die kinetische Energie der fallenden Masse beim Aufprall darf 50 J nicht überschreiten .

Ein Protektor, der diesem Testverfahren unterzogen wurde, gilt als konform mit dieser Norm, wenn die durchschnittliche übertragene Kraft von neun Tests weniger als 35 kN beträgt und kein einzelnes Testergebnis 50 kN übersteigt.

EN1621-2 bewertet Rüstungen zum Schutz des Rückens/der Wirbelsäule. Es ist eine strengere Norm, die es erlaubt, nicht mehr als 18 kN Kraft zu übertragen, um Schutzstufe 1 zu erreichen (EN-1621-2 CE Stufe 1). Eine Panzerung, die eine Kraftübertragung von weniger als 9 kN zulässt, kann einen Schutz der Stufe 2 erreichen (EN-1621-2 CE Stufe 2).

In der Richtlinie geht es um die übertragene Kraft, die im betrachteten Fall (Körperteile) als durchschnittliche übertragene Kraft von neun Tests kleiner als 35 kN sein muss, wobei kein einzelnes Testergebnis 50 kN überschreiten darf.

Bevor Änderungen vorgenommen wurden, gab die Wikipedia die kinetische Energie mit 50 kJ an, obwohl sie 50 J hätte sein sollen, und es gab Verwechslungen zwischen Energie und Kraft.
Der Wert der kinetischen Energie setzt eine Obergrenze für die Geschwindigkeit der 5-kg-Fallmasse und des Schlagblechs, kurz bevor sie auf das zu testende Gerät auftreffen. Diese Geschwindigkeit beträgt etwa 4,5 m/s oder 10 mph.

Dieser Link bietet viel mehr Details über den Test .

Wie bei Sicherheitsgurten versuchen Sie, die Kraft zu reduzieren, die auf Ihren Körper wirkt.

Wenn Sie sich fortbewegen, haben Sie einen bestimmten Impuls (Masse mal Geschwindigkeit). Um diesen Impuls auf Null zu reduzieren, muss für eine bestimmte Zeit eine Kraft aufgebracht werden.
Die relevante Gleichung lautet "Impulsänderung = Kraft".$\times$Zeit".

Wenn Sie eine Masse von 50 kg haben und sich mit 20 m / s fortbewegen, muss sich Ihr Impuls ändern, um anzuhalten$50 \times 20 = 1000 \; \rm Ns$.

Auf einen festen Gegenstand treffen und anhalten$\frac {1}{100} \; \rm s$würde bedeuten, dass eine Kraft von$1000 \times 100 = 100 \;\rm kN$auf Sie einwirken würde, was Ihnen Schaden zufügen könnte.
Andererseits, wenn die Zeit zum Abbremsen erhöht wird$\frac {1}{10} \; \rm s$die auf dich wirkende Kraft ist jetzt$10 \; \rm kN$was weniger Schaden anrichten würde.
Zum Teil verlängert Ihre Motorradschutzausrüstung die Zeit, in der Sie langsamer werden, indem sie bei Bodenkontakt komprimiert wird.
Eine neuere Möglichkeit, die Nachlaufzeit zu verlängern, besteht darin, die Schutzanzüge mit einem Gas aufzublasen, die dann wie ein Airbag in einem Auto wirken.

Um die Schwere einer Verletzung zu verringern, sollten Sie auch Rollen vermeiden und versuchen, zu rutschen, damit Sie nicht mehrfach auf den Boden aufprallen.