ให้ความรู้เรื่องฟุตบอล

นักวิจัยด้านวิศวกรรมที่สร้างระบบที่เรียกว่า Mitigatium เพิ่งได้รับทุนสนับสนุนจากกลุ่มที่รวมถึง National Football League ต้นแบบรุ่นแรกของพวกเขาอาจนำไปสู่หมวกกันน็อคที่มีน้ำหนักเบาและราคาย่อมเยาที่กระจายพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพจากการปะทะครั้งแล้วครั้งเล่าในสนาม หมวกกันน็อคในปัจจุบันไม่สามารถทำได้ และนั่นเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้หมวกกันน็อคป้องกันการบาดเจ็บของสมองได้ไม่ดีนัก Ellen Arruda, ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและวิศวกรรมชีวการแพทย์ของ UM กล่าวว่า "หมวกนิรภัยสำหรับฟุตบอลในปัจจุบันได้รับการออกแบบมาเพื่อป้องกันการแตกหักของกะโหลกศีรษะโดยการลดแรงกระแทกสูงสุด" "และพวกเขาทำงานได้ดี แต่พวกเขาไม่ได้สูญเสียพลังงานจริง ๆ พวกเขาปล่อยให้สมอง" กีฬาเช่นฟุตบอลถือเป็นความท้าทายที่ยิ่งใหญ่สำหรับผู้ออกแบบอุปกรณ์ป้องกันศีรษะ ในการกระจายพลังงาน หมวกกันน็อคโดยทั่วไปจะต้องเปลี่ยนรูป เช่น รุ่นของจักรยานยนต์จะแตกเมื่อเกิดการชนกัน และหมวกกันน็อคแบบใช้แล้วทิ้งไม่เหมาะสำหรับผู้เล่นฟุตบอล เมื่อหมวกกันน็อคจักรยานแตก มันจะดูดซับสิ่งที่เรียกว่า "แรงกระตุ้น" ซึ่งเป็นผลรองจากแรงเริ่มต้น แรงกระตุ้นซึ่งให้โมเมนตัมของวัตถุเป็นสิ่งที่ส่งพลังงานจลน์ผ่านระบบ มันไม่ได้คำนึงถึงแค่แรงเท่านั้น แต่ยังคำนึงถึงระยะเวลาที่ใช้แรงนั้นด้วย ในการคำนวณแรงกระตุ้น คุณต้องคูณแรงเฉลี่ยด้วยระยะเวลาที่วัตถุกระทำ เพื่อให้การป้องกันศีรษะมีประสิทธิภาพสูงสุดต่อความเร็วและน้ำหนักของผู้เล่นในสนามฟุตบอล นักวิจัยเหล่านี้กล่าวว่าต้องสกัดกั้นแรงกระตุ้น พวกเขาไม่ใช่คนแรกที่พูดแบบนี้ พวกเขาพบการศึกษาทางการแพทย์เมื่อ 70 ปีก่อนที่ตำหนิแรงกระตุ้นที่สร้างความเสียหายจากสไตล์ ฟุตบอล ผลกระทบอย่างรวดเร็ว ทุกวันนี้ ผู้ผลิตหมวกกันน็อคและนักวิจัยด้านสุขภาพมักจะพึ่งพาปัจจัยอื่นๆ ตัวอย่างเช่น การออกแบบหมวกกันน็อคใหม่จะได้รับการอนุมัติตามแรงสูงสุดที่สามารถทนได้เท่านั้น Arruda กล่าวว่า "ทุกคนมุ่งเน้นไปที่แรงกระแทกและแรงเท่านั้น "แต่พวกเขาพบว่าเมื่อพวกเขาวัดแรงสูงสุดบนพื้นผิวของกะโหลกศีรษะ พวกเขาไม่สามารถเทียบเคียงกับการบาดเจ็บของสมองได้ เหตุผลก็คือแรงนั้นเป็นเพียงส่วนหนึ่งของเรื่องราว" นักวิทยาศาสตร์และแพทย์ไม่เข้าใจอย่างถ่องแท้ว่าการกระแทกที่ศีรษะทำให้เกิดการบาดเจ็บของสมองได้อย่างไร แต่นักวิจัยของ UM กล่าวว่าแรงกระตุ้นเป็นปัจจัยสำคัญ Arruda และเพื่อนร่วมงานของเธอได้แสดงให้เห็นสิ่งนี้ พวกเขาได้พิจารณาคุณสมบัติเชิงกลของการกระแทกและการระเบิดอย่างใกล้ชิดเป็นครั้งแรก และวิธีออกแบบหมวกกันน็อคและชุดเกราะอื่นๆ ให้ทำงานได้ดีขึ้นในการปกป้องโครงสร้างที่บอบบาง ในการทำเช่นนั้น พวกเขาสร้างส่วนตัดขวางจำลองสองมิติของวัสดุที่ใช้แทนสมองและกะโหลกศีรษะในกระดองหมวกแบบต่างๆ จากนั้นจึงใช้เครื่องจำลองการชนบนโต๊ะเพื่อทดสอบตัวอย่างต่างๆ พวกเขาเปรียบเทียบปริมาณพลังงานที่ส่งผ่านไปยังชั้นประเภทสมองในระบบหมวกนิรภัยของตนเองและสภาพที่เป็นอยู่ พวกเขาใช้กล้องความเร็วสูงเพื่อช่วยสังเกตว่าแบบจำลองสมองผิดรูปในทั้งสองระบบอย่างไร Michael Thouless, Janine Johnson Weins ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมกล่าวว่า "ข้อมูลเชิงลึกบางส่วนที่เราได้รับจากการวิเคราะห์นี้แตกต่างเล็กน้อยจากแนวคิดของชุมชนหมวกกันน็อคเกี่ยวกับการออกแบบ แม้ว่าเราจะพบตัวอย่างในเอกสารทางการแพทย์เก่าๆ ที่สอดคล้องกับความเข้าใจของเรา" วิศวกรรมเครื่องกลและวัสดุศาสตร์และวิศวกรรม ในการทดลอง หมวกกันน็อครุ่นปัจจุบันแทบไม่สามารถปิดกั้นแรงกระตุ้นได้ นักวิจัยสามารถบอกได้ว่าลายจุดบนชั้นสมองของพวกเขาผิดเพี้ยนไปมากน้อยเพียงใด อย่างไรก็ตาม ต้นแบบของ Mitigatium ลดแรงกระตุ้นเหลือเพียง 20 เปอร์เซ็นต์ของสิ่งที่ผ่านไปยังแบบจำลองสมองในหมวกกันน็อคทั่วไป Mitigatium ลดความดันสูงสุดถึง 30 เปอร์เซ็นต์ มันลดลงตามลำดับความสำคัญ Arruda กล่าว นี่คือวิธีการทำงาน: มันทำจากวัสดุสามชนิดที่มีจำนวนมากกว่าผลรวมของชิ้นส่วน ชั้นแรกคล้ายกับโพลีคาร์บอเนตแข็งซึ่งเป็นเปลือกของหมวกกันน็อคในปัจจุบัน ประการที่สองคือพลาสติกที่มีความยืดหยุ่น สารเหล่านี้ร่วมกันสะท้อนคลื่นกระแทกส่วนใหญ่จากการชน -- แรงเริ่มต้นส่วนใหญ่ พวกเขายังทำสิ่งอื่นที่ไม่เหมือนใครและสำคัญ: พวกเขาแปลงความถี่ของคลื่นความดันที่เข้ามาเป็นความถี่ที่ชั้นถัดไปสามารถจับและกระจายโดยการสั่นสะเทือน ชั้น "visco-elastic" ชั้นที่สามนี้มีความสม่ำเสมอของน้ำมันดินแห้ง "เราได้แนวคิดใหม่ทั้งหมดเกี่ยวกับวิธีสร้างโครงสร้างลดแรงกระแทกที่มีประสิทธิภาพซึ่งสามารถกระจายพลังงานโดยไม่เสียหาย" Thouless กล่าว "และเราใช้แนวคิดพื้นฐานของกลศาสตร์เพื่อพัฒนาความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับวิธีการปกป้องโครงสร้างที่บอบบาง เช่น สมอง" ปลายปีที่แล้ว ทีม UM เป็นหนึ่งในห้าผู้ชนะของ Head Health Challenge III ซึ่งเป็นการแข่งขันเพื่อสนับสนุนการพัฒนาวัสดุที่ดูดซับหรือกระจายแรงกระแทกได้ดีขึ้น นอกเหนือจาก NFL แล้ว ผู้สนับสนุนยังมี Under Armour, GE และ National Institute of Standards and Technology นักวิจัยของ UM ได้รับเงิน 250,000 ดอลลาร์เพื่อนำเทคโนโลยีของพวกเขาไปสู่ขั้นตอนต้นแบบเต็มรูปแบบ ผู้สมัครระดับปริญญาเอก Tanaz Rahimzadeh ก็มีส่วนร่วมในโครงการนี้เช่นกัน นักวิจัยยังชี้ให้เห็นว่าระบบของพวกเขามีความยืดหยุ่นอย่างมาก โดยสามารถใช้วัสดุต่างๆ กันเพื่อปรับคลื่นความดันที่เข้ามาได้ พวกเขามองเห็นแนวทางของพวกเขาที่จะนำไปใช้กับอุปกรณ์ทางทหารและอุปกรณ์ป้องกันอื่น ๆ เช่นเดียวกับพื้นผิวสนามเด็กเล่น บทความเกี่ยวกับผลการวิจัยบางส่วนที่มีชื่อว่า "การออกแบบชุดเกราะเพื่อป้องกันการระเบิดและการกระแทก" ตีพิมพ์ในวารสารกลศาสตร์และฟิสิกส์ของของแข็ง Rahimzadeh เป็นผู้เขียนคนแรก