A talajfogás fizikája

Forrás: Írta: Fotó: Fordította: Lektorálta:

Thermik&Gleitschirm 1998/10. 68.o. Helmut Hintner Hannes Mayr i Szabó Péter Szabóné Koleszár Edina Szabó Péter

A fordítás közzétételéhez a Gleitschirm Magazin főszerkesztője írásban hozzájárult.
(Thermik Verlag, Stelzhamerstraße 18. A-4600 Wels;
tel: ++43 (0) 7242/45224-0; fax: ++43 (0) 7242/45224-22,
( http://www.gleitschirm-magazin.com/ )
További sokszorosítás csak a szerkesztőség, és a fordító írásos beleegyezésével jogszerű!

Durva termik, start termikelszakadáskor, rotorban való leszállás – csukódás – kontrollálatlan repülési helyzet – talajfogás, fájdalmas ordítás… Sok siklóernyős pilóta ismeri ezt a forgatókönyvet. Míg a siklóernyőzés kezdeti éveiben a pilóták szinte védtelenek voltak a durva talajfogások esetén, ma már a legtöbben kemény protektort, és airbaget használunk, amely megakadályozza, hogy teljesen összetörjük magunkat. Az alábbiakban arról lesz szó, hogyan működik becsapódáskor az airbag, és mi a működésének fizikai magyarázata.

A kiindulási helyzet

Tegyük fel, hogy egy pilóta talajközelben repül, 2/3-os csukódást kap, túlhúzza az ép oldali féket, és negatívba kerül. Egyre nagyobb sebességgel közelít a földhöz – vagyis gyorsul. Itt kerül a képbe az első fontos fizikai kifejezésünk:

A gyorsulás

A gyorsulás a sebességváltozás, és az ahhoz szükséges idő hányadosa. Pl. ha egy autónak a 0-ról 100 km/h-ra való felgyorsuláshoz 10 másodpercre van szüksége, akkor a gyorsulása 2,8 m/s2 (28 m/s ÷ 10 s). A gyorsulási értékeket gyakran G-ben adják meg, mely alatt a nehézségi gyorsulást (9,81 m/s2) értjük. A szabadon (légüres térben) zuhanó test tehát egy másodperc alatt szűk 10 m/s-ra, vagyis kb. 35 km/h-ra gyorsul fel. A nehézségi gyorsulással kifejezve tehát a fent kiszámolt 2,8 m/s 0,3 G-vel egyenértékű (2,8 ÷ 9,91). Természetesen létezik negatív gyorsulás is, amikor sebességcsökkenésről, vagyis lassulásról van szó.

Térjünk vissza a fenti pilótához, aki egyre nagyobb sebességgel közelít a talajhoz. Szegény rémülten gondol a becsapódásra, amely a sebesség növekedésével egyre komolyabb kimenetelű lehet – aminek oka az egyre nagyobbá váló kinetikus (mozgási) energia.

A kinetikus energia

Mozgási energiának vagy lendületnek is nevezik. Ez az az energia, amely a test mozgásából származik. Képlete:

1. képlet:

E_mozg = (m x v²) / 2

 

(vagyis mozgási energia = a tömeg, és a sebesség négyzete szorzatának fele).

Ahogy a képletből is látható, a kinetikus energia nem lineárisan nő, hanem a sebesség négyzetével. Ezért hatalmas a különbség aközött, hogy valaki 6 m/s-mal, vagy 3 m/s-mal ér földet, hiszen az első esetben a mozgási energia nem duplája, hanem négyszerese lesz a 3 m/s-mal való földetéréshez képest.

Ha az autós példánál maradunk: a 100 km/h-ra felgyorsult autó a tárolt kinetikus energiát vagy üresbe téve gurulva egy kb. egy kilométer hosszú úton tudja elkoptatni (addig, amíg a légellenállás, és a súrlódás felemészti energiáját), vagy egy akadállyal való ütközés is fölemésztheti a mozgási energiát az autó deformálásába fektetett energia révén. Az első esetben az autó hosszú, míg a másodikban nagyon rövid úthossz alatt lenne lefékezve 100 km/h-ról 0 km/h-ra. Ezt az úthosszt fékútnak nevezzük, a fizikában a megnevezése: lassulási úthossz.

Lassulási úthossz

A rendelkezésre álló lassulási úthossz határozza meg a negatív gyorsulás (lassulás) mértékét. A lassulást az alábbi képlet alapján lehet kiszámítani:

2. képlet:

B = v² / (2 x s)

 

(lassulás = a sebesség négyzetének, és a fékút kétszeresének a hányadosa.)

Tehát ha a fenti példában szereplő autó 50 méter után áll meg, 0,8 G (282 x 50 = 7,84 m/s²=0,8 G) lassulás lép fel.

Térjünk vissza a durva földetérést elszenvedő pilóta példájához. Miután a negatív fordulatok közben alaposan átgondolta a gyorsulásról, a lassulásról, a kinetikus energiáról és a fékútról való tudnivalókat, szembe kell néznie a becsapódással (feneke alatt vastag protektor van). A pilóta azt is tudja, hogy protektor, és airbag nélkül az ülő helyzetben való földetérés meglehetősen kellemetlen élmény lenne.

A fékút airbag nélkül csak néhány centiméter lenne (ami a talaj, és a farizom kis mértékű összenyomódásából adódik), így a negatív gyorsulási értékek rendkívül magasak lennének. (lásd 1. ábra)

Kiindulási helyzet a lassulás kezdete előtt: a fontosabb testrészeket (fej, mell, medence)
és a feneket az M1, M2, M3 és M4 jelek ábrázolják, a köztük lévő távolságot
a cikcakkvonalak hossza jelzi (felfoghatjuk rugóként is, amely a becsapódáskor összenyomódik).

A lassulás kezdete: A medencerész azonnal reagál, az M3,
és M4 közötti rész, vagyis a farizom összenyomódik,
a felsőtest, és a fej viszont nem sérül.

Teljes mértékben ható lassulás: a fej, a vállak és a medence közötti területek
is erősen összenyomódnak, ebben a szakaszban a gerincoszlop megsérülhet.

1. ábra: Protektor nélküli becsapódás ülő helyzetben

Ez a hirtelen lassulás legtöbbször axiális kompressziós töréshez vezet a gerincoszlop tájékán. A protektor feladata, hogy a fékúton (ami a vastagságából adódik) feleméssze a mozgási energiát. Ahogy a 2. képletből is látszik: kétszer akkora vastagság feleakkora túlterhelést eredményez.

Az 1. táblázatban ezek a viszonyszámok vannak feltüntetve.

Esési magasság	Becsapódási sebesség	Negatív gyorsulás (lassulás) különböző lassulási útszakaszok esetén*
		5 cm		10 cm		15 cm		20 cm
m	m/s	m/s	G	m/s	G	m/s	G	m/s	G
1,50	5,4	294	30	147	15	98	10	74	7,5
2,50	7	490	50	245	25	163	16,6	123	12,5
5,10	10	1000	102	500	51	333	34	250	25,5

*(a lassulás itt szereplő mértéke elméleti érték, a gyakorlatban nem teljesen érvényes)

1. táblázat:
A fékút és a túlterhelés alakulása az esési magasság illetve a becsapódási sebesség függvényében.
A sötétebb részben a DHV teszteken mért értékek olvashatóak (1,5 méteres esési magasság esetén)

A DHV a protektorok tesztelése során 1,5 méteres esési magasságnál 20 G-s túlterhelést fogad el. Ez a gyakorlatban azt jelentené, hogy a lezuhant pilóta egy másodpercig 20-szoros súllyal préselődne a beülőbe. (Ha a törzse, és a feje együtt 50 kg-ot nyom, akkor ez egy tonna lenne.)

Érdekességképpen megemlítjük, hogy a szakemberek által elfogadott 20 G-s túlterhelés pontosan az az érték, ami a régi repülőorvosi szakkönyvekben a megengedett legnagyobb terhelést jelenti katapultáláskor. Két további tényezőt kell még figyelembe venni:

• Milyen gyorsan érjük el a maximális mértékű lassulást?
• Meddig tart a nagy mértékű lassulás?

A repülőorvosi gyakorlatban köztudomású, hogy olyan katapultáló pilóták is megsérültek, akiket csak maximum 12 G túlterhelés ért, ha a gyorsulás nagyon hirtelen ment végbe. Ezzel szemben a 20 G fölötti terhelés is egészen könnyen elviselhető tud lenni, ha nagyon rövid ideig lép fel. (lásd 2. ábra)

Az “A” görbe azt az esetet mutatja be, amikor a lassulási időtartam kicsi.
Ilyenkor nagy a sérülés esélye. Annak ellenére, hogy a “B” görbe esetében nagyobb a túlterhelés,
kisebb a sérülés veszélye, mivel a nagyobb terhelést kompenzálja az,
hogy a lassulás hosszabb ideig megy végbe.

A “B” görbe esetében a nagymértékű túlterhelés hosszabb ideig lép fel,
mint az “A” esetben. Ezért itt a sérülés esélye is nagyobb.

2. ábra: A lassulás időbeli ábrázolása

Felvetődik a kérdés, hogy a protektorok tesztelésénél elegendő-e a maximálisan elért lassulás egyszerű mérése. Az airbag esetében – függetlenül attól, hogy elektronikus vezérléssel töltődik fel levegővel, mint az autók airbage, vagy egy habosított anyag képezi az airbaget – a belső nyomás (és egyidejűleg a lassulás mértéke is) nagyjából az összenyomódás mértékével arányosan nő. Feleakkora vastagság esetén a nyomás kétszer akkora. A levegő távozása által a nyomás növekedésével egyidejűleg emésztődik fel az energia. A fékező erő nem ütésszerűen, hanem viszonylag finoman jelentkezik. (lásd 2. ábra)

Másképpen működnek a tompító habszivacs, vagy EPS anyagú protektorok. Ezeknél a több rétegű (szendvics) felépítés miatt először a puhább, majd a keményebb rész nyomódik össze, így a fékező erő nem hirtelen lép fel.

Minden jó, ha jó a vége

Mivel a példánkban szereplő pilóta előrelátó módon vastag airbaget, és kemény protektort is viselt, a heves becsapódás ellenére néhány kék folton kívül nem szenvedett más sérülést. Mindez persze nem jelenti azt, hogy megengedett lenne a felelőtlen repülési stílus annak, akinek van airbage. Az airbag csak bizonyos határokon belül képes elnyelni az energiát (végül is csak 15-20 cm vastag), másrészt semmi sem garantálja, hogy becsapódáskor mindig az airbag érinti először a földet. A teljes testet védő airbaget pedig sajnos (vagy szerencsére) még nem találták föl. ¹

A DHV által végzett protektortesztek

Attól az imént ismertetett problémától függetlenül, hogy teszteléskor a több, egyformán fontos tényező közül csak egyet vizsgálnak, az utóbbi időkben a fejlesztők is egyre több kritikával illetik a DHV protektortesztjeit. Az ütközést egy kalapácsszerű eszközzel szimulálják, amellyel a beülőre sújtanak. Ez a “pöröly” domborúan elvékonyodik, és nem felel meg az emberi anatómiának (vagyis egy fenéknek). Amíg a beülő közepére ütnek vele, addig nem is lényeges az alakja, de máris meghamisítja az eredményeket, ha a beülő szélét találják el vele. Ez kb. annyit ér, mintha egy ülőpárnát karateütéssel akarnának tesztelni.

A franciák a protektortesztekhez bábukat használnak, ami elég költséges, de minden bizonnyal értelmes megoldásnak számít. Az is megoldás lehetne, ha a DHV által használt “pörölynek” legalább az ütközéskor érintett felső felülete az emberi anatómiának megfelelően lenne kialakítva. Ilyen mesterséges “fenekeket” használnak pl. az autóülések tesztelésénél. Ezeket nem is lenne olyan nehéz beszerezni. El kell kerülni, hogy beinduljon egy olyan fejlesztési vonal, ami senkinek sem lenne jó: nevezetesen, hogy olyan protektorokat kezdenének el gyártani, amelyek az alkalmassági teszteken jó eredményeket érnének el, a gyakorlatban viszont semmit sem érnek.

Pont ez történt ugyanis a 70-es években az Egyesült Államok autóiparában: egy szabvány olyan ütközéses tesztmódszert írt elő, amely során vasgolyót lendítettek a lökhárítóhoz. A tesztmódszernek megfelelően piacra kerültek az “USA-lökhárítós” autók. Mivel azonban a balesetek során általában nem vasgolyókkal ütközünk, ezek a lökhárítók meglehetősen hatástalanok voltak. Mára az ütközéses tesztek életszerűekké váltak: a tesztautókat az igazi autók alakjának, és keménységének megfelelő eszközökkel ütköztetik.

A DHV tesztek másik irrealitása, hogy az ütköztetést egyenletes, sík felülettel végzik. A talaj gyakran tele van kövekkel, sziklákkal vagy más egyenetlenségekkel. Ezért fejlesztették ki azokat a protektorokat, amelyek eloszlatják a sziklák, kavicsok által okozott nyomást. Egy ilyen kemény protektor hatékonyságát úgy lehetne tesztelni, hogy kb. 10 cm átmérőjű golyóval (golyókkal) ütköztetnék. Kétféleképpen kellene ezért elvégezni a teszteket: egyrészt sík, másrészt kavicsos tereppel kellene ütköztetni a protektorokat.

A szerző, Helmut Hintner a siklóernyős airbagek szülőatyja. A piacon található habszivacs airbagekkel még nem elégedett.²  Most éppen találmányának tökéletesítésén dolgozik. Remélhetőleg a közeljövőben az airbagek új generációját mutatják be.

1 A csípőprotektorok viszont már megjelentek a piacon, és nagyon jónak bizonyulnak. (a fordító megjegyzése)

2 A cikk 1998. végén íródott. (a fordító megjegyzése)