En mecánica, ¿realmente el impacto se expresa mejor como sacudida en lugar de aceleración?

Algunos dispositivos electrónicos o mecánicos costosos están diseñados para ser resistentes a los golpes. Sin embargo, los fabricantes a menudo comercializan el nivel de resistencia a los golpes en unidades de fuerza g (sé que la fuerza g es realmente una medida de aceleración). No estoy realmente convencido de que esa sea la unidad adecuada.

De hecho, el artículo de Wikipedia sobre choque mecánico describe el choque como una aceleración o desaceleración repentina . Aquí, el término " repentino " parece implicar que la aceleración o desaceleración no es constante durante un choque, lo que significaría que debería haber un componente de sacudida en la ecuación que describe el movimiento o la posición del objeto en función del tiempo.

Así que aquí están mis tres preguntas relacionadas:

  1. ¿El choque se expresa mejor como fuerza g por segundo? Si no, ¿por qué (es decir, por qué la fuerza g es una mejor unidad)?
  2. Cuando golpea un objeto más pequeño que es razonablemente rígido (p. ej., un reloj de pulsera con caja y brazalete de acero inoxidable) contra otro objeto que es razonablemente masivo, inamovible y rígido (p. ej., una pared de ladrillos), ¿cómo funciona el gráfico de posición en función de ¿Cómo se ve realmente el tiempo, suponiendo que podamos registrar el tiempo y las distancias con extrema precisión?
  3. ¿Los dispositivos mecánicos comunes sufren principalmente de alta aceleración o de gran sacudida?

Actualización El estándar de resistencia a impactos ISO 1413 parece dar algunas pistas. El procedimiento de prueba consiste en dejar que un martillo de plástico duro de 3 kg que viaja a 4,43 m/s golpee un reloj. Lo que sugiere que realmente nos preocupamos por la transferencia instantánea de energía o de cantidad de movimiento. Pero, ¿qué tan rápido ocurre la transferencia? ¿Está en la granularidad de milisegundos o nanosegundos?

¿Por qué sacudirse, por qué no romperse, crujir o explotar?
La escala de tiempo de la transferencia está determinada por las propiedades mecánicas del reloj. Si el reloj está hecho de materiales duros y rígidos, el martillo desacelerará más rápidamente.

Respuestas (3)

Definitivamente, hay situaciones en la ciencia de los materiales y la ingeniería mecánica en las que el tirón es más importante que la aceleración como factor que causa daños. Un término que he visto usado es "velocidad de carga". Esto puede referirse a cualquiera d F / d t o d a / d t , que difieren por un factor de metro . Verá las siglas ALR e ILR para la tasa de carga promedio e instantánea.

Una fuerza constante no puede causar excitaciones de ondas, pero una fuerza variable sí. Por ejemplo, cuando está mecanizando algo en una fresadora o un torno, el tirón produce "chirridos", lo que puede estropear su trabajo. Los ingenieros que diseñan las levas trabajan muy duro para minimizar la sacudida del seguidor de la leva: "Recuerde también que la sacudida se traduce en un impulso y el impacto excesivo finalmente conduce a un seguidor de la leva rayado y picado". (Blair 2005)

Conozco un par de buenos ejemplos relacionados con el cuerpo humano. En los vuelos espaciales tripulados, los astronautas están expuestos durante un lanzamiento no solo a altas aceleraciones, sino también a veces a lo que se conoce como "pogo", que significa una aceleración oscilante en la dirección longitudinal. Un pogo con una amplitud tan pequeña como 0.5 gramo aparentemente puede causar sensaciones extremadamente desagradables en los globos oculares y los testículos, así como el calentamiento del cerebro y las vísceras (Seedhouse 2013). El calentamiento es un fenómeno que no se puede obtener de una fuerza estática.

Otro ejemplo del cuerpo humano implica lesiones por correr. Las mediciones con acelerómetros colocados en los pies, las piernas o las caderas de los corredores muestran que, durante un ciclo de zancada, normalmente hay dos picos diferentes, un pico de impacto y otro pico "activo" que se produce durante la propulsión. El pico de impacto tiene una aceleración más pequeña pero un tirón más grande, y parece ser el factor que causa las lesiones: "una mayor carga de impacto se asoció con un riesgo elevado de sufrir una lesión por correr, mientras que la fuerza vertical máxima no". (David 2010)

GP Blair, CD McCartan, H. Hermann, "The Right Lift", Race Engine Technology, vol. 3 número 1, agosto de 2005

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

Erik Seedhouse, 2013, Pulling G: Respuestas humanas a la gravedad alta y baja

Los choques por definición son saltos discontinuos, por lo tanto , no diferenciables en las cantidades relevantes (p. ej., salto de presión a través de un choque mecánico en gas). Entonces, estrictamente hablando, creo que uno no puede asignar una descripción derivada apropiada: aceleración, un tirón, etc. Sin embargo, desde un punto práctico, realmente dependería de la cantidad en la que uno quiera enfatizar, si el cambio en vigor es lo que importa, podría llamarse un idiota.

¿Cómo pueden ser discontinuos los choques? De hecho, ¿un objeto no acelera o desacelera realmente muy rápido en el instante del impacto solo debido a que la fuerza electrodébil entra en el rango efectivo a nivel de partículas o atómico? ¿No parece ser discontinuo solo porque los ojos y el cerebro humanos no pueden capturar el movimiento lo suficientemente rápido?
Está bien, eso es justo. Lo que quise decir es que el choque representa cambios en el tiempo atómico/molecular y en las escalas espaciales. Entonces, en un enfoque de mecánica continua, es mejor tratarlo como un proceso de salto. Si está dispuesto a modelar la dinámica molecular para calcular los cambios en la fuerza, tendrá que permitir una descripción bastante fluctuante para capturar la dinámica real. Además, incluso en cualquier caso, no solo tienes una fuerza, sino que el campo de fuerza cambia a un ritmo que también cambia, por lo que necesitarás una derivada mucho más alta que la aceleración.
Por lo tanto, realmente se reduce a qué derivado realmente te importa para qué propósitos de lo que sea que estés tratando de hacer. Preferiría un tirón sobre una aceleración y tal vez una derivada más alta para describir el proceso.
Parece que estamos en la misma página ahora. También sospechaba que incluso el idiota no es un derivado lo suficientemente alto. Pero luego miro el estándar ISO para la resistencia a los golpes y parece que nos falta algo: tal vez ni siquiera se trate de la aceleración o el tirón, sino de la transferencia de energía o impulso en un determinado, como dijiste, el molecular / atómico escalas temporales y espaciales. Así que digamos que la medida adecuada es el cambio en el impulso a lo largo del tiempo, que se traduce en una unidad como (kg * m/s)/s, que es efectivamente el newton.
Digamos que el impacto del martillo-reloj da como resultado una transferencia de 1,5 kg * 4,43 m/s en 1 milisegundo. ¡Eso es 1,5 kg * 4,43 m/s / 0,001 s = una enorme fuerza de 6645 newtons! Tenga en cuenta que 1 milisegundo es solo mi suposición descabellada del marco de tiempo en el que la fuerza electrostática a nivel molecular / atómico es efectiva durante el impacto. ¿Estoy loco?
Bueno, creo que el choque es una terminología generalmente reservada para una situación de propagación de ondas de presión más constante. Por ejemplo, en el flujo supersónico, una onda expansiva de una explosión. Esencialmente, un proceso en el que un flujo se propaga más rápido que la velocidad del sonido, de modo que las moléculas que se encuentran delante de él no verán venir ese golpe. Creo que la situación del martillo en un reloj es mucho menos pronunciada (incluso antes de que el martillo golpee el aire antes de que golpee el reloj). De todos modos, independientemente, creo que se trata de qué cantidad está interesada. Aquí creo...
"impulso" es una palabra mucho mejor. Dejando de lado la terminología, aunque un impulso es como una función delta o una gaussiana muy aguda. No tiene sentido preguntar cuál es la fuerza máxima al igual que no tiene sentido preguntar cuál es una función delta en x=0. Creo que solo una cantidad integrada en una pequeña ventana de tiempo tiene significado (nuevamente, como una función delta complicada con alguna función). ¡Así que tienes razón! Probablemente esté calibrado para entregar alguna energía en una pequeña unidad de tiempo. La unidad de tiempo debe ser elegida o acordada por la agencia reguladora por alguna razón de motivación práctica.
@Sankaran, re: "o un gaussiano muy agudo" - ¿por qué gaussiano? ¿Cómo sabes que es exponencial, por ejemplo?
@alancalvitti Básicamente, cualquier función con una caída brusca podría usarse para modelar un impulso. En realidad, en el límite de ancho cercano a cero, cualquier función simétrica debe tender a una función delta.

El choque se expresa mejor como g (u otra unidad de aceleración) porque f = ma. La aceleración es proporcional a la fuerza mecánica aplicada al objeto, que a su vez cuantifica sus tensiones mecánicas internas.

Esta es una respuesta muy superficial que realmente no aborda la pregunta. La respuesta de Ben Crowell es mucho mejor. El tirón puede hacer que las cosas vibren, mientras que la aceleración constante no puede hacerlo, por lo que tanto el tirón como la aceleración pueden causar daños.
En mecánica, ¿realmente el impacto se expresa mejor como sacudida en lugar de aceleración?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v