Ударные воздействия и поведение материалов при столкновениях.

Введение

Большая сила или удар, приложенные за короткий промежуток времени при высокоскоростном столкновении.

В механике, удар – это столкновение двух тел. Во время этого столкновения оба тела замедляются. Замедление вызывает большую силу или удар, приложенные за короткий промежуток времени. Большая сила, действующая в течение короткого времени, обычно вызывает больше повреждений обоим телам, чем меньшая сила, приложенная за пропорционально более длительный промежуток времени. При нормальных скоростях, при абсолютно неупругом столкновении, объект, пораженный снарядом, деформируется, и эта деформация поглощает большую часть или всю силу столкновения. С точки зрения сохранения энергии, кинетическая энергия снаряда преобразуется в тепловую и звуковую энергию в результате деформаций и вибраций, вызванных в пораженном объекте. Однако эти деформации и вибрации не могут происходить мгновенно. Высокоскоростное столкновение (удар) не предоставляет достаточного времени для возникновения этих деформаций и вибраций. Таким образом, материал, подвергшийся удару, ведет себя так, как будто он более хрупкий, чем он был бы в иных условиях, и большая часть приложенной силы идет на разрушение материала. Или, иначе говоря, материалы действительно более хрупки в короткие промежутки времени, чем в длительные: это связано с принципом суперпозиции времени и температуры. Устойчивость к удару снижается с увеличением модуля упругости, что означает, что более жесткие материалы обладают меньшей устойчивостью к удару. Упругие материалы обладают лучшей устойчивостью к удару. Различные материалы могут вести себя совершенно по-разному при ударе по сравнению со статическими условиями нагрузки. Плавкие материалы, такие как сталь, как правило, становятся более хрупкими при высоких скоростях нагрузки, и может произойти отслоение на обратной стороне удара, если не произошло пробития. Важен также способ распределения кинетической энергии по сечению для определения реакции материала. Снаряды создают герц-контактное напряжение в точке удара о твердое тело, вызывая сжимающие напряжения под точкой, но изгибающие нагрузки на небольшом расстоянии. Поскольку большинство материалов слабее на растяжение, чем на сжатие, именно в этой зоне обычно формируются и растут трещины.

In mechanics, an impact is when two bodies collide. During this collision, both bodies decelerate. The deceleration causes a high force or shock, applied over a short time period. A high force, over a short duration, usually causes more damage to both bodies than a lower force applied over a proportionally longer duration. At normal speeds, during a perfectly inelastic collision, an object struck by a projectile will deform, and this deformation will absorb most or all of the force of the collision. Viewed from a conservation of energy perspective, the kinetic energy of the projectile is changed into heat and sound energy, as a result of the deformations and vibrations induced in the struck object. However, these deformations and vibrations cannot occur instantaneously. A high velocity collision (an impact) does not provide sufficient time for these deformations and vibrations to occur. Thus, the struck material behaves as if it were more brittle than it would otherwise be, and the majority of the applied force goes into fracturing the material. Or, another way to look at it is that materials actually are more brittle on short time scales than on long time scales: this is related to time temperature superposition. Impact resistance decreases with an increase in the modulus of elasticity, which means that stiffer materials will have less impact resistance. Resilient materials will have better impact resistance. Different materials can behave in quite different ways in impact when compared with static loading conditions. Ductile materials like steel tend to become more brittle at high loading rates, and spalling may occur on the reverse side to the impact if penetration doesn't occur. The way in which the kinetic energy is distributed through the section is also important in determining its response. Projectiles apply a Hertzian contact stress at the point of impact to a solid body, with compression stresses under the point, but with bending loads a short distance away. Since most materials are weaker in tension than compression, this is the zone where cracks tend to form and grow.

Приложения

Гвоздь забивается серией ударов, каждый из которых наносится одним ударом молотка. Эти высокоскоростные удары преодолевают статическое трение между гвоздем и основанием. Аналогичный результат достигается с помощью сваебойного молота, хотя и в гораздо большем масштабе; этот метод обычно используется при строительстве зданий и мостов для создания фундаментов. Ударный гайковерт – это устройство, предназначенное для передачи импульсов крутящего момента болтам для их затягивания или ослабления. При обычных скоростях силы, приложенные к болту, рассеивались бы посредством трения по резьбе. Однако при ударных скоростях силы воздействуют на болт, чтобы сдвинуть его с места, прежде чем они успеют рассеяться. В баллистике пули используют ударные силы для пробивания поверхностей, которые в противном случае могли бы выдержать значительные нагрузки. Например, резиновый лист при типичной скорости пули ведет себя подобно стеклу: он разрушается, а не растягивается или вибрирует. Область применения теории удара охватывает оптимизацию обработки материалов, ударные испытания, динамику гранулированных сред, а также медицинские приложения, связанные с биомеханикой человеческого тела, в частности тазобедренных и коленных суставов. Кроме того, она находит широкое применение в автомобильной и военной отраслях.

Взрывы, наносящие ущерб

Дорожно-транспортные происшествия обычно связаны с ударными нагрузками, например, когда автомобиль сталкивается с дорожным ограждением, пожарным гидрантом или деревом, при этом повреждения локализуются в зоне удара. При столкновении транспортных средств величина повреждений возрастает с увеличением относительной скорости, причем повреждения растут пропорционально квадрату скорости, поскольку определяющим фактором является кинетическая энергия удара (1/2 mv²). Значительные усилия при проектировании направлены на повышение ударопрочности автомобилей с целью минимизации травм водителя и пассажиров. Этого можно достичь различными способами, например, путем размещения водителя и пассажиров в защитной кабине. Кабина усилена для выдерживания столкновений на высокой скорости и защиты находящихся внутри людей. Элементы кузова, находящиеся за пределами кабины, спроектированы таким образом, чтобы постепенно деформироваться, поглощая большую часть кинетической энергии, которую необходимо рассеять при ударе. Для оценки воздействия высоких нагрузок на изделия и стандартные образцы материалов используются различные испытания на удар. Испытания Шарпи и Изода – два примера широко используемых стандартизированных методов для испытания материалов. Для оценки ударного воздействия на продукцию применяются испытания сбросом шара или снаряда. Катастрофа с космическим шаттлом «Колумбия» была вызвана повреждением от удара, когда кусок полиуретановой пены ударил по композитному крылу из углеродного волокна. Хотя до катастрофы проводились испытания, тестовые куски были значительно меньше, чем кусок, отколовшийся от ускорителя и попавший в незащищенное крыло. При транспортировке хрупких предметов удары и падения могут приводить к повреждению продукции. Защитная упаковка и амортизирующие материалы помогают снизить пиковое ускорение, увеличивая продолжительность удара или толчка.