衝撃（力学）

力学では、衝撃とは 2 つの物体が衝突することです。この衝突の間、両方の物体は減速します。減速により、短時間で大きな力または衝撃がかかります。通常、短時間で大きな力がかかると、比例して長い時間かけて小さな力がかかる場合よりも、両方の物体に大きな損傷が発生します。

通常の速度では、完全に非弾性な衝突の際に、発射体が衝突した物体は変形し、この変形によって衝突の力のほとんどまたはすべてが吸収されます。エネルギー保存の観点から見ると、発射体の運動エネルギーは、衝突した物体に誘発される変形と振動の結果として、熱エネルギーと音エネルギーに変換されます。ただし、これらの変形と振動は瞬時に発生することはありません。高速衝突 (衝撃) では、これらの変形と振動が発生するのに十分な時間がありません。そのため、衝突した材料は、衝突しなかった場合よりも脆くなったかのように動作し、加えられた力の大部分は材料の破壊に使われます。または、別の見方をすると、材料は実際には長い時間スケールよりも短い時間スケールの方が脆いということです。これは、時間と温度の重ね合わせに関係しています。耐衝撃性は弾性係数の増加に伴って低下します。つまり、硬い材料ほど耐衝撃性が低くなります。弾力性のある材料は耐衝撃性が高くなります。

静的荷重条件と比較すると、異なる材料は衝撃に対してまったく異なる挙動を示すことがあります。鋼鉄のような延性材料は、高荷重率ではより脆くなる傾向があり、貫通が発生しない場合は、衝撃の反対側で剥離が発生する可能性があります。運動エネルギーがセクション全体に分散される方法も、その応答を決定する上で重要です。発射体は、固体の衝突点でヘルツ接触応力を適用します。衝突点の下には圧縮応力がかかり、少し離れたところには曲げ荷重がかかります。ほとんどの材料は圧縮よりも引張に弱いため、この領域で亀裂が形成され、拡大する傾向があります。

釘は、ハンマーの一撃ごとに一連の衝撃を加えて打ち付けられます。これらの高速の衝撃により、釘と下地の間の静摩擦が克服されます。杭打ち機は、はるかに大規模ではありますが、同じ目的を達成します。この方法は、土木工事で建物や橋の基礎を作る際に一般的に使用されています。インパクトレンチは、ボルトにトルク衝撃を与えて締めたり緩めたりするための装置です。通常の速度では、ボルトに加えられた力は、摩擦によって、かみ合ったねじ山に分散されます。しかし、衝撃速度では、力が分散される前に、ボルトに作用してボルトを動かします。弾道学では、弾丸は衝撃力を利用して、本来なら大きな力に耐えられる表面を突き破ります。たとえば、ゴムシートは、一般的な弾丸の速度ではガラスのように動作します。つまり、破断しますが、伸びたり振動したりしません。

衝撃理論の応用分野は、材料処理の最適化、衝撃試験、粒状媒体の動力学から、人体の生体力学、特に股関節と膝関節に関連する医療用途まで多岐にわたります。^[2]また、自動車産業や軍事産業にも幅広く応用されています。^[3]

道路交通事故では通常、衝撃荷重が伴います。たとえば、車が交通ボラード、消火栓、 または木に衝突した場合などです。損傷は衝撃ゾーンに限定されます。車両が衝突すると、損傷は車両の相対速度とともに増加し、重要な変数は衝突の運動エネルギー(1/2 mv ² ) であるため、損傷は速度の 2 乗で増加します。ユーザーの負傷を最小限に抑えるために、車の耐衝撃性を向上させるために多くの設計努力が払われています。これは、ドライバーと乗客を安全セルで囲むなど、いくつかの方法で実現できます。セルは強化されているため、高速衝突でも生き残り、ユーザーを保護します。セルの外側のボディシェルの部分は徐々に潰れるように設計されており、衝撃によって分散される運動エネルギーの大部分を吸収します。

製品と標準の材料スラブの両方に対する高荷重の影響を評価するために、さまざまな衝撃テストが使用されます。シャルピー試験とアイゾット試験は、材料の試験に広く使用されている標準化された方法の 2 つの例です。ボールまたは発射体の落下テストは、製品の衝撃を評価するために使用されます。

コロンビア号の事故は、ポリウレタン フォームの破片がスペースシャトルの炭素繊維 複合材の主翼に衝突した際の衝撃損傷が原因でした。事故前にテストは実施されていましたが、テストの破片はブースターロケットから落下して露出した主翼に当たった破片よりはるかに小さかったです。

壊れやすい品物を輸送する場合、衝撃や落下により製品が損傷する可能性があります。保護梱包と 緩衝材は、 衝撃や衝突の持続時間を延長することでピーク加速度を軽減するのに役立ちます。^[4]