Настоящее изобретение относится к защитному головному убору, например к защитным шлемам, для использования при езде на мотоцикле или велосипеде или при участии в спортивных соревнованиях повышенного риска, например в скалолазании, верховой езде или сплавлении по бурным рекам. Настоящее изобретение также имеет существенное значение в промышленности, например в изготовлении защитных шлемов, используемых на строительных площадках, на предприятиях, а также имеет военное применение. Действительно, настоящее изобретение может быть применено в любых условиях, где желательно использование защитного головного убора в какой-либо форме, легкого и необременительного для потребителя и в то же время эффективного в части предотвращения или минимизации последствий удара по голове. Особое отличие настоящего изобретения заключается в том, что при его применении можно имитировать характерные особенности поведения головы человека, обеспечивающие защиту ее от травм.
Настоящее изобретение также относится к защитной одежде, например к бронежилету, используемому полицией при массовых беспорядках и в вооруженных силах.
Известны различные средства для защиты головы, в которых предусмотрена возможность рассеяния и рассредоточения силы удара при падениях или ударах, например защитные шлемы из жестких материалов. Обычно применяют прокладку или мягкую опору из полистирола или подобного пеноматериала внутри таких шлемов как для поглощения энергии, так и для обеспечения удобства при носке. Однако многие такие «защитные каски» обладают ограниченной способностью поглощения энергии и просто передают силу удара к голове потребителя, хотя на участке большей площади. Хуже всего то, что при использовании некоторых шлемов возможны случаи, когда источник удара входит в прямой контакт с головой потребителя при повреждении или разрушении жесткого материала, особенно в случаях жесткого удара. Например, в патенте США US-A-3946441 описан защитный шлем, содержащий основную оболочку, обладающую высокой противоударной стойкостью, и вторую наружную оболочку, сформованную из хрупкого материала, который по замыслу должен ломаться даже при слабых ударах.
Известна также защитная одежда, и в прошлом одно конкретное применение такой защитной одежды заключалось в защите тела спортсмена при участии в играх повышенного риска или контактных играх. В патенте США US-A-3500472 описана защитная одежда, содержащая амортизирующие средства, закладываемые в «карманы» этой защитной одежды и надуваемые. Защитная одежда выполнена так, чтобы при использовании было ограничено любое относительное перемещение между амортизирующими средствами и «карманами», когда защитную одежду подвергают ударам.
В настоящем изобретении учтены и использованы некоторые защитные особенности головы человека, которые сами по себе позволяют поглощать и рассеивать значительное количество энергии, таким образом защищая голову от ударов. Защитный головной убор и защитная одежда, включающие такие особенности, рассмотрены заявителем в Европейском патенте ЕР 0790787. Настоящее изобретение направлено на усовершенствование устройств и способов, рассмотренных в Европейском патенте ЕР 0790787.
Такое усовершенствование достигается за счет того, что защитный головной убор согласно изобретению содержит оболочку, имеющую обращенную внутрь поверхность, которая при использовании обращена к голове потребителя головного убора, и обращенную наружу поверхность, которая при использовании обращена наружу от головы потребителя; наружный слой, которым покрыта по меньшей мере часть обращенной наружу поверхности оболочки; и разрываемое средство для фиксированного прикрепления наружного слоя к остальной части головного убора в одном или большем числе мест, при этом разрываемому средству придана такая конфигурация, чтобы оно разрушалось тогда, когда к наружной поверхности головного убора приложена сила, превышающая выбранное пороговое значение, которая действует, по меньшей мере частично, по касательной так, чтобы повернуть головной убор и голову потребителя, и при разрушении разрываемого средства в одном или более местах приложенная сила вызывает перемещение по меньшей мере части наружного слоя, воспринявшего силу, относительно оболочки, аналогичное защитному движению скальпа человека относительно черепа.
Предпочтительно разрываемое средство представляет собой отдельный элемент, помещаемый между оболочкой и наружным слоем.
Предпочтительно разрываемое средство является выполненной за одно целое частью наружного слоя.
Предпочтительно разрываемое средство является выполненной за одно целое частью оболочки.
Предпочтительно разрываемое средство содержит клей.
Предпочтительно клей содержит любой материал из группы, состоящей из двухсторонней клейкой ленты, обладающей очень высокой прочностью скрепления, клея артикула 10/99, цианоакрилата и эпоксидной смолы или любую из их комбинаций.
Предпочтительно разрываемое средство содержит механические скрепляющие средства.
Предпочтительно разрываемое средство выполнено с возможностью последовательного разрушения поэтапно с частичным разрушением разрываемых средств, происходящим при силе, меньшей, чем выбранное пороговое значение, и продолжения частичного разрушения с увеличением силы до тех пор, пока не произойдет общее разрушение разрываемого средства при выбранном пороговом значении.
Предпочтительно последовательное поэтапное разрушение разрываемых средств достигается путем варьирования прочностных или межповерхностных характеристик разрываемых средств в одном или большем числе мест крепления.
Предпочтительно наружный слой является по существу неэластичным в плоскости слоя.
Предпочтительно наружный слой подвержен пластической деформации до разрушения разрываемых средств, когда к наружной поверхности защитного головного убора прикладывается сила, меньшая, чем выбранное пороговое значение.
Предпочтительно наружный слой имеет участок для локализованной пластической деформации при воздействии силы, меньшей, чем сила, требуемая для разрушения разрываемого средства.
Предпочтительно защитный головной убор дополнительно содержит дополнительное разрываемое средство, выполненное так, чтобы оно разрушалось при воздействии силы, соответствующей выбранному пороговому значению, которое меньше, чем выбранное значение для разрываемых средств.
Предпочтительно дополнительное разрываемое средство предназначено для предотвращения пластической деформации наружного слоя до тех пор, пока не разрушится дополнительное разрываемое средство.
Предпочтительно наружный слой является по существу эластичным в плоскости слоя.
Предпочтительно наружный слой подвержен пластической деформации до разрушения разрываемого средства, когда к наружной поверхности защитного головного убора приложена сила, меньшая, чем выбранное пороговое значение, при этом наружный слой воспринимает силу, меньшую, чем выбранное пороговое значение, перемещаясь относительно оболочки аналогично защитному движению скальпа человека относительно черепа.
Предпочтительно наружный слой имеет участки для локализованной упругой деформации, которые упруго деформируются при воздействии силы, меньшей той, которая требуется для создания упругой деформации у остальной части наружного слоя, причем приложенная сила является меньшей, чем сила, требуемая для того, чтобы вызвать разрушение разрываемого средства.
Предпочтительно защитный головной убор дополнительно содержит дополнительное разрываемое средство, выполненное так, чтобы оно разрушалось при выбранном пороговом значении, меньшем, чем выбранное значение для разрываемого средства.
Предпочтительно посредством дополнительного разрываемого средства предотвращается упругая деформация наружного слоя на участках для локализованной упругой деформации до тех пор, пока не будут разрушены дополнительные разрываемые средства.
Предпочтительно дополнительное разрываемое средство содержит клей.
Предпочтительно дополнительное разрываемое средство содержит срезаемую ленту.
Предпочтительно оболочка содержит композитный материал. Предпочтительно оболочка содержит слоистый материал.
Предпочтительно оболочка содержит любое одно или большее число веществ из группы, состоящей из полипропилена, поликарбоната, сополимера акрилонитрила, бутадиена и стирола, смеси поликарбоната и сополимера акрилонитрила, бутадиена и стирола, полиэтилена высокой плотности, композитов из углеродных волокон, стеклопластиков, найлона, материала, содержащего длинные стренги из стекловолокна, углеродного или арамидного волокна в модульном носителе, например полипропилене, полиэтилене, поликарбонате, сополимере акрилонитрила, бутадиена и стирола, термопластичном полиуретане или найлоне, полипропилена, армированного стекловолокном, материала, армированного полипропиленовым волокном, и композитов, содержащих арамидные волокна в резиновом носителе.
Предпочтительно наружный слой содержит композитный материал.
Предпочтительно наружный слой содержит слоистый материал.
Предпочтительно наружный слой содержит любое одно или более веществ из группы, состоящей из термопластичных эластомеров, например сантоприна, хайтрела в твердой или вспененной формах, термореактивных эластомеров, например полиуретановых эластомеров (обычно в диапазоне твердости от 50 ед. по шкале А по Шору до 70 ед. по шкале D по Шору), резины, сорботана, натурального или синтетического каучука или пластифицированных пеноматериалов, полиэтилена низкой или высокой плотности, а также обычных термопластичных или термореактивных пластиков.
Предпочтительно наружный слой армирован волокнами, обладающими высокой жесткостью и малым относительным удлинением, например стекловолокном, углеродными или арамидными (кевлар) волокнами, для снижения общей эластичности этого наружного слоя.
Предпочтительно защитный головной убор дополнительно содержит слой пеноматериала низкой плотности, располагаемый между оболочкой и головой потребителя.
Предпочтительно защитный головной убор дополнительно содержит слой несжимаемой жидкости, расположенный между оболочкой и головой потребителя и капсулированный в гибком мешке.
Предпочтительно гибкий мешок, содержащий несжимаемую жидкость, разделен на множество отделений, причем гибкий мешок содержит соединительные средства, которыми соединено каждое отделение по меньшей мере с одним другим отделением, а соединительные средства предназначены для предотвращения перетекания жидкости из одного отделения в другое до тех пор, пока сила удара по наружной поверхности головного убора не превысит пороговое значение, при котором соединительные средства обеспечивают возможность перетекания жидкости из одного отделения в другое.
Предпочтительно несжимаемой жидкостью является жидкость, которая сопротивляется перетеканию из одного отделения в другое, чтобы сдержать перемещение оболочки.
Указанное усовершенствование также достигается за счет того, что защитный головной убор согласно изобретению содержит оболочку, имеющую обращенную внутрь поверхность, которая при использовании обращена к голове потребителя головного убора; и обращенную наружу поверхность, которая при использовании обращена от головы потребителя; наружный слой, которым покрыта по меньшей мере часть обращенной наружу поверхности оболочки; и средства для фиксированного прикрепления наружного слоя к остальной части головного убора в одном или большем числе мест, причем наружному слою придана такая конфигурация, чтобы он разрушался, когда сила, превышающая выбранное пороговое значение, приложена к наружной поверхности головного убора, которая действует, по меньшей мере частично, по касательной к наружной поверхности головного убора так, чтобы повернуть головной убор и голову потребителя, и при разрушении наружного слоя приложенная сила заставляет по меньшей мере часть наружного слоя, воспринявшего силу, перемещаться относительно оболочки аналогично защитному движению скальпа человека относительно черепа.
Предпочтительно средства для фиксированного прикрепления наружного слоя к остальной части головного убора в одном или большем числе мест содержат клей.
Предпочтительно клей содержит любой из материалов группы, состоящей из двухсторонней клейкой ленты, обладающей очень высокой прочностью скрепления, клея артикула 10/99, цианоакрилата и эпоксидной смолы, или любую их комбинацию.
Предпочтительно средства для фиксированного прикрепления наружного слоя к остальной части головного убора в одном или большем числе мест содержат механические средства крепления.
Предпочтительно наружный слой является по существу неэластичным в плоскости слоя.
Предпочтительно наружный слой подвергнут пластической деформации до разрушения средств для фиксированного прикрепления наружного слоя к остальной части головного убора в одном или большем числе мест.
Предпочтительно наружный слой имеет участки для локализованной пластической деформации при воздействии силы, меньшей силы, требуемой для разрушения средства для фиксированного прикрепления наружного слоя к остальной части головного убора в одном или большем числе мест.
Предпочтительно наружный слой является по существу эластичным в плоскости слоя.
Предпочтительно наружный слой проходит этап упругой деформации до разрушения средств для фиксированного прикрепления наружного слоя к остальной части головного убора в одном или большем числе мест, когда к наружной поверхности головного убора прикладывается сила, меньшая, чем выбранное пороговое значение, при этом наружный слой перемещается относительно оболочки аналогично защитному движению скальпа человека относительно черепа.
Предпочтительно наружный слой имеет участки для локализованной упругой деформации, которые упруго деформируются при воздействии силы, меньшей силы, требуемой для упругого деформирования остальной части наружного слоя, при этом воспринятая сила меньше силы, требуемой для разрушения средства для фиксированного прикрепления наружного слоя к остальной части головного убора в одном или большем числе мест.
Предпочтительно оболочка содержит композитный материал.
Предпочтительно оболочка содержит слоистую структуру.
Предпочтительно оболочка содержит любое одно или более веществ из группы, состоящей из полипропилена, поликарбоната, сополимера акрилонитрила, бутадиена и стирола, смеси поликарбоната и сополимера акрилонитрила, бутадиена и стирола, полиэтилена высокой плотности, композитов из углеродных волокон, стеклопластиков, найлона, материала, содержащего длинные стренги из стекловолокна, углеродного или арамидного волокна в модульном носителе, например полипропилене, полиэтилене, поликарбонате, сополимере акрилонитрила, бутадиена и стирола, термопластичном полиуретане или найлоне, полигропилена, армированного стекловолокном, материала, армированного полипропиленовым волокном, и композитов, содержащих кевлар (арамидные волокна в резиновом носителе).
Предпочтительно наружный слой содержит композитный материал.
Предпочтительно наружный слой является слоистой структурой.
Предпочтительно наружный слой содержит любое одно или более веществ из группы, состоящей из термопластичных эластомеров, например сантоприна, хайтрела в твердой или вспененной формах, термореактивных эластомеров, например полиуретановых эластомеров, обычно в диапазоне твердости от 50 ед. по шкале А по Шору до 70 ед. по шкале D по Шору, резины, сорботана, натурального или синтетического каучука или пластифицированных пеноматериалов; полиэтилена низкой или высокой плотности, а также обычных термопластичных или термореактивных пластиков.
Предпочтительно наружный слой армирован волокнами, обладающими высокой жесткостью и малым относительным удлинением, например стекловолокном, углеродными или арамидными (кевлар) волокнами, для того чтобы снизить общую эластичность этого наружного слоя.
Предпочтительно защитный головной убор дополнительно содержит слой пеноматериала низкой плотности, расположенный между оболочкой и головой потребителя.
Предпочтительно защитный головной убор дополнительно содержит слой несжимаемой жидкости, расположенный между оболочкой и головой потребителя и капсулированный в гибком мешке.
Предпочтительно гибкий мешок, содержащий несжимаемую жидкость, разделен на множество отделений, причем гибкий мешок содержит соединительные средства, которыми соединено каждое отделение по меньшей мере с одним другим отделением, а соединительные средства предназначены для предотвращения перетекания жидкости из одного отделения в другое до тех пор, пока сила удара по наружной поверхности головного убора не превысит пороговое значение, при котором соединительные средства обеспечивают возможность перетекания жидкости из одного отделения в другое.
Предпочтительно несжимаемой жидкостью является жидкость, которая сопротивляется перетеканию из одного отделения в другое для того, чтобы задержать перемещение оболочки.
Предпочтительно посредством защитного головного убора при разрушении наружного слоя поддерживают уровни напряжения в мозге ниже 20 кПа.
Предпочтительно посредством защитного головного убора при разрушении разрываемых средств поддерживают уровни напряжения в мозге ниже 20 кПа.
Указанные усовершенствования, кроме того, достигаются за счет того, что защитная одежда согласно изобретению содержит основной слой, имеющий обращенную внутрь поверхность, которая при использовании обращена к телу потребителя защитной одежды; и обращенную наружу поверхность, которая при использовании обращена от тела потребителя; наружный слой, наложенный поверх по меньшей мере части обращенной наружу поверхности основного слоя; и разрываемое средство для фиксированного прикрепления наружного слоя к остальной части защитной одежды в одном или большем числе мест, при этом разрываемому средству придана такая конфигурация, чтобы оно разрушалось тогда, когда к наружной поверхности приложена сила, превышающая выбранное пороговое значение, которая действует по меньшей мере частично по касательной к наружной поверхности так, чтобы повернуть защитную одежду и тело потребителя, и при разрушении разрываемого средства в одном или большем числе мест воспринятая сила понуждает по меньшей мере часть наружного слоя, воспринявшего силу, перемещаться относительно основного слоя способом, подобным защитному движению скальпа человека относительно черепа.
Дополнительно указанные усовершенствования достигаются за счет того, что защитная одежда согласно изобретению содержит основной слой, имеющий обращенную внутрь поверхность, которая при использовании обращена к телу потребителя защитной одежды; и обращенную наружу поверхность, которая при использовании обращена от тела потребителя; наружный слой, наложенный поверх по меньшей мере части обращенной наружу поверхности основного слоя; и средства для фиксированного прикрепления наружного слоя к остальной части защитной одежды в одном или большем числе мест, при этом наружному слою придана такая конфигурация, чтобы он разрушался тогда, когда к наружной поверхности приложена сила, превышающая выбранное пороговое значение, которая действует по меньшей мере частично по касательной к наружной поверхности так, чтобы повернуть защитную одежду и тело потребителя, и при разрушении наружного слоя приложенная сила заставляет по меньшей мере часть наружного слоя, воспринявшего силу, перемещаться относительно основного слоя способом, подобным защитному движению скальпа человека относительно черепа.
Указанные усовершенствования достигаются и за счет того, что способ модификации существующего защитного головного убора согласно изобретению включает следующие этапы: выполняют наружный слой, который накладывают поверх по меньшей мере части обращенной наружу поверхности существующего защитного головного убора; и выполняют разрываемые средства для фиксированного прикрепления наружного слоя к остальной части существующего защитного головного убора в одном или большем числе мест; при этом разрываемым средствам придают такую конфигурацию, чтобы они разрывались тогда, когда к наружной поверхности модифицированного головного убора приложена сила, превышающая выбранное пороговое значение, которая действует по меньшей мере частично по касательной, чтобы повернуть модифицированный головной убор и голову потребителя, и при разрушении разрываемых средств в одном или большем числе мест приложенная сила заставляет по меньшей мере часть наружного слоя, воспринявшего силу, перемещаться относительно обращенной наружу поверхности существующего защитного головного убора аналогично защитному движению скальпа человека относительно черепа.
Также указанные усовершенствования достигаются за счет того, что способ модификации существующего защитного головного убора согласно изобретению включает следующие этапы: выполняют наружный слой, который накладывают поверх по меньшей мере части обращенной наружу поверхности существующего защитного головного убора; и выполняют средства для фиксированного прикрепления наружного слоя к остальной части существующего защитного головного убора в одном или большем числе мест; при этом наружному слою придают такую конфигурацию, чтобы он разрушался тогда, когда к наружной поверхности модифицированного головного убора приложена сила, превышающая выбранное пороговое значение, которая действует по меньшей мере частично по касательной на наружную поверхность модифицированного головного убора, чтобы повернуть модифицированный головной убор и голову потребителя, и при разрушении наружного слоя приложенная сила заставляет по меньшей мере часть наружного слоя, воспринявшего силу, перемещаться относительно обращенной наружу поверхности существующего защитного головного убора способом, подобным защитному движению скальпа человека относительно черепа.
Кроме того, усовершенствования достигаются и за счет того, что способ модификации существующей защитной одежды согласно изобретению включает следующие этапы: выполняют наружный слой, который накладывают поверх по меньшей мере части обращенной наружу поверхности существующей защитной одежды; и выполняют разрываемые средства для фиксированного прикрепления наружного слоя к остальной части существующей защитной одежды в одном или большем числе мест; при этом разрываемым средствам придают такую конфигурацию, чтобы они разрушались тогда, когда к наружной поверхности модифицированной защитной одежды приложена сила, превышающая выбранное пороговое значение, которая действует по меньшей мере частично по касательной, чтобы повернуть модифицированную защитную одежду и тело потребителя, и при разрушении разрываемых средств в одном или большем числе мест приложенная сила заставляет по меньшей мере часть наружного слоя, воспринявшего силу, перемещаться относительно обращенной наружу поверхности существующей защитной одежды аналогично защитному движению скальпа человека относительно черепа.
И, наконец, указанные усовершенствования достигаются за счет того, что способ модификации существующей защитной одежды согласно изобретению включает следующие этапы: выполняют наружный слой, который накладывают поверх по меньшей мере части обращенной наружу поверхности существующей защитной одежды; и выполняют средства для фиксированного прикрепления наружного слоя к остальной части существующей защитной одежды в одном или большем числе мест; при этом наружному слою придают такую конфигурацию, чтобы он разрушался тогда, когда к наружной поверхности модифицированной защитной одежды приложена сила, превышающая выбранное пороговое значение, которая действует по меньшей мере частично по касательной на наружную поверхность модифицированной защитной одежды так, чтобы повернуть модифицированную защитную одежду и тело потребителя; и при разрушении наружного слоя приложенная сила заставляет по меньшей мере часть наружного слоя, воспринявшего силу, перемещаться относительно обращенной наружу поверхности существующей защитной одежды аналогично защитному движению скальпа человека относительно черепа.
Предпочтительные варианты исполнения настоящего изобретения приведены ниже только в виде примеров со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 - схематическое представление головы человека, фронтальное поперечное сечение;
Фиг.2 - участок фронтального поперечного сечения, представленного на Фиг.1, в увеличенном масштабе;
Фиг.3 - типичная форма защитного головного убора, выполненного согласно настоящему изобретению, при использовании;
Фиг.4 - поперечное сечение первого варианта исполнения защитного головного убора, выполненного согласно настоящему изобретению;
Фиг.5 - вид в увеличенном масштабе, на котором проиллюстрирован способ прикрепления наружного слоя к нижнему периферическому краю защитного головного убора, представленного на Фиг.4;
Фиг.6а, 6b и 6с - поперечные сечения, на которых проиллюстрированы альтернативные способы прикрепления наружного слоя к нижнему периферическому краю защитного головного убора согласно настоящему изобретению;
Фиг.7а, 7b и 7с - виды в перспективе (сверху), на которых проиллюстрированы типичные распределенные места прикрепления наружного слоя к защитному головному убору, представленному на Фиг.6а, 6b и 6с, соответственно;
Фиг.8а, 8b - подробные виды нижнего периферического края альтернативного варианта исполнения защитного головного убора согласно настоящему изобретению, на которых проиллюстрирован наружный слой в первом и втором положениях (до и во время и после удара);
Фиг.9а, 9b и 9с - подробные виды нижнего периферического края дополнительного варианта исполнения защитного головного убора согласно настоящему изобретению, на которых проиллюстрированы следующие друг за другом положения наружного слоя (до и во время и после удара);
Фиг.10а, 10b - подробные виды нижнего периферического края еще одного дополнительного варианта исполнения защитного головного убора согласно настоящему изобретению, на которых проиллюстрирован наружный слой в первом и втором положениях (до и во время и после удара);
Фиг.11 - схематическое представление, иллюстрирующее предпочтительные характеристики «напряжение-растяжение» наружного слоя защитного головного убора, представленного на Фиг.4 и 5;
Фиг.12 - схематическое представление, иллюстрирующее предпочтительные характеристики «напряжение-растяжение» наружного слоя защитного головного убора, представленного на Фиг.8а, 8b;
Фиг.13 - схематическое представление, иллюстрирующее предпочтительные характеристики «напряжение-растяжение» наружного слоя защитного головного убора, представленного на Фиг.9а, 9b и 9с и 10а, 10b;
Фиг.14 - схематическое представление защитной одежды, выполненной согласно настоящему изобретению;
Фиг.15 - поперечное сечение защитной одежды, представленной на фиг.14; и
Фиг.16а, 16b, 16с, 16d и 16е - подробные поперечные сечения, на которых проиллюстрированы альтернативные способы прикрепления наружного слоя к базовому слою защитной одежды согласно настоящему изобретению.
На фиг.1 схематически представлен вид головы 10 человека во фронтальном поперечном сечении. Мозг 12 окружен спинномозговой жидкостью 14 и обе субстанции находятся в черепе 16. Снаружи черепа 16 находится скальп 18. Участок фронтального поперечного сечения, представленного на фиг.1, изображен в увеличенном масштабе на фиг.2.
Далее изобретение будет пояснено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Голова 10 человека обладает следующими защитными свойствами:
Скальп
Скальп 18 является прочным волокнистым слоем, который по существу неэластичен в плоскости слоя, но эластичен, когда его подвергают нагрузке в направлении, перпендикулярном поверхностям слоя. Особенно важно то, что скальп 18 не прикреплен жестко к черепу 16, а вместо этого его можно свободно смещать относительно черепа 16 на ограниченные расстояния прежде, чем он начинает рваться. Возможность перемещения скальпа 18 относительно черепа 16 важно потому, что это - тот механизм, который помогает противостоять воздействию касательных составляющих силы при ударе, причем мозг 12 особенно подвержен повреждению от резкого вращательного движения относительно черепа 16. Благодаря эластичности скальпа 18 в направлении, перпендикулярном его поверхности, происходит его сжатие, которое служит поглощению энергии ударов, сила которых имеет перпендикулярную составляющую.
Череп
Череп 16 состоит из двух слоев: плотной компактной кости 15, лежащей на слое губчатой кости 17. Благодаря такой структуре имеется жесткая поверхность 15 для рассеивания энергии, допускающая определенную степень сжатия или разрушения губчатой кости 17 для поглощения энергии, а также для расширения участка, на который воздействует удар. Благодаря губчатой кости 17 может также происходить некоторое допустимое искажение формы черепа 16 до того, как произойдет какой-либо перелом.
Спинномозговая жидкость
Спинномозговая жидкость 14, окружающая мозг 12, действует как дополнительный элемент для поглощения энергии, амортизирующий перемещение мозга 12 в черепе. Толчки или удары по голове 10 ведут к отбрасыванию мозга 12 к черепу, а смещение несжимаемой спинномозговой жидкости 14 действует как тормозящая среда, поглощающая энергию.
Посредством имитации некоторых из перечисленных выше защитных особенностей головы 10 человека защитный головной убор и защитную одежду согласно настоящему изобретению можно эффективно использовать для ослабления, а в некоторых случаях для нейтрализации как перпендикулярной, так и касательной составляющих силы, воспринимаемой во время удара.
На Фиг.3 показан первый вариант исполнения защитного головного убора согласно настоящему изобретению в форме велосипедного шлема 20, закрепленного на голове 10 потребителя посредством ремешка 21, застегиваемого под подбородком. Следует иметь ввиду, что защитный головной убор согласно настоящему изобретению может иметь другие формы и варианты исполнения, например в виде традиционного «шлема-каски» или мотоциклетного шлема, причем последний более полно охватывает голову 10 потребителя. Могут быть использованы и другие известные средства для закрепления защитного головного убора на голове потребителя согласно настоящему изобретению. Удары, воспринимаемые наружной поверхностью шлема 20, включают касательную α и нормальную β составляющие силы.
На Фиг.4 и 5 показан шлем 20 в поперечном сечении, представленный на Фиг.3, который, как видно, может содержать наружный слой 28, оболочку 26 и внутренний слой 24.
Хотя это и не существенно, может быть обеспечена внутренняя прокладка 24, располагаемая внутри оболочки 26, для сопряжения с головой 10 потребителя. Прокладка 24 может служить для имитации жидкостной подвески, обеспечиваемой спинномозговой жидкостью 14, и/или для более удобной и безопасной посадки шлема 20 на голове 10 потребителя.
Предпочтительно, чтобы внутренняя прокладка 24 содержала гибкий мешок, заполненный соответствующей вязкой жидкостью (не показано), который надлежит прикреплять к внутренней поверхности оболочки 26, используя любое обычное фиксирующее средство (например, клей или механические фиксаторы). Так как жидкость в мешке с одним отделением может стекать под действием силы тяжести в нижний периферический край шлема 20, может быть необходимым разделение на отделения для того, чтобы обеспечить подходящую модель перемещения жидкости при ударе. Для управления потоками между отделениями могут быть использованы механизмы управления потоками между отделениями. С помощью механизмов управления потоками предотвращают перетекание жидкости из одного отделения в другое при нормальном использовании, но обеспечивают возможность перетекания жидкости из одного отделения в другое, когда шлем 20 подвергают воздействию удара. Взаимосвязь отделений может способствовать созданию равномерного давления во всех отделениях, расширяя таким образом площадь участка, на который воздействует сила при ударе. Жидкость во внутренней прокладке 24 может быть вязкой или водяной жидкостью и может оказывать демпфирующее действие при движении головы 10 потребителя относительно шлема 20, когда шлем 20 подвергают воздействию удара. Средства для управления потоками могут содержать элементы пониженной прочности в стенках, отделяющих отделения, причем стенки могут оставаться неповрежденными с точки зрения герметичности отделений при нормальном использовании, но в условиях удара элементы с пониженной прочностью могут прорываться с образованием отверстий в стенках (предоставляя таким образом возможность перетекания потока жидкости из одного отделения в другое). В альтернативном варианте исполнения может быть применена внутренняя прокладка 24 со структурой «пузырчатого» типа либо с жидким наполнителем, либо со смесью жидкости и газа, либо наполненная одним газом.
Кроме того, тонкая прокладка (не показана) из полистирола или подобного материала, приклеенная или каким-либо другим способом прикрепленная к внутренней поверхности гибкого мешка внутренней прокладки 24, может быть использована для поддержания формы и, таким образом, для распределения жидкости в мешке и в этом случае разделение мешка на отделения может стать необязательным. Может быть предусмотрен полный охват гибкого мешка тонкой прокладкой из полистирола или подобного материала.
Помимо этого, дополнительный слой, или слои (не показано), может быть проложен между оболочкой 26 и гибким мешком внутреннего слоя 24. Действительно, дополнительный слой, или слои, может также или альтернативно быть введен на внутренней поверхности гибкого мешка внутренней прокладки 24. Дополнительный слой, или слои, может быть выполнен в виде любого обычного прокладочного материала, используемого в защитных головных уборах, известного в данной области, например пеноматериала малой плотности или сочетания пеноматериалов малой и более высокой плотности.
В альтернативном варианте исполнения внутренняя прокладка 24 вместо этого может быть выполнена в виде любого обычного поглощающего энергию прокладочного материала, используемого в защитных головных уборах, известных в данной области, и гибкий мешок при этом может быть исключен вовсе. Эта внутренняя прокладка 24 может быть изготовлена из пеноматериала, обладающего присущей ему податливостью, или, в альтернативном варианте исполнения, из прокладочного материала, обычно используемого в касках для строительной промышленности. Действительно, внутренняя прокладка 24 может содержать ряд отдельных слоев или может быть сформирована в виде слоистого материала. Например, одна такая модификация включает введение двух слоев пластикового пеноматериала в сочетании с прокладкой из полистирола, причем либо оба эти слоя располагают снаружи прокладки из полистирола, либо один снаружи, а другой внутри прокладки из полистирола. Эти слои могут быть выполнены либо из пеноматериала низкой плотности, либо из сочетания пеноматериалов низкой и более высокой плотности. Из сказанного выше следует, что настоящим изобретением предусмотрено применение множества различных альтернативных вариантов исполнения и сочетаний материалов для изготовления внутренней прокладки 24.
Посредством оболочки 26 имитируют череп 16 и таким образом обеспечивают жесткую поверхность для рассеивания энергии (подобно компактной плотной кости 15 черепа 16), в то же время допуская определенную степень сжатия или разрушения для облегчения повышенного поглощения энергии (подобно губчатой кости 17 черепа 16). Путем применения обычных производственных технологий такие свойства могут быть воплощены либо в одном материале, либо в композитной или слоистой структурах. В результате испытаний были найдены подходящие материалы для оболочки 26, включая полипропилен; поликарбонат; сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола (ABSR); смесь поликарбоната и сополимера акрилонитрила, бутадиена и стирола (ABSR); полиэтилен высокой плотности (HDPE); композиты из углеродных волокон; стеклопластики; Zytel (найлон, выпускаемый фирмой Дюпон); Celstran (материал, содержащий длинные стренги из стекловолокна, углеродного или арамидного волокна в модульном носителе, например полипропилене, полиэтилене, поликарбонате, сополимере акрилонитрила, бутадиена и стирола [ABSR], термопластичном полиуретане [TPU] или найлоне); Twintex (полипропилен, армированный стекловолокном, выпускаемый фирмой Vetrotex); Curv PP (материал, армированный полипропиленовым волокном, выпускаемый фирмой «ВР»); и композиты, содержащие Kevlar (арамидные волокна в резиновом носителе).
Наружный слой 28 предназначен для имитации скальпа 18. Соответственно, в первом варианте исполнения обеспечен наружный слой 28, являющийся по существу неэластичным в плоскости материала, но упругосжимаемым, когда его подвергают воздействию сил в направлении, перпендикулярном плоскости материала (подобно скальпу 18). Однако при испытаниях было установлено, что второй вариант исполнения, в котором используют наружный слой 28, являющийся по существу эластичным как в плоскости материала, так и при воздействии сил в направлении, перпендикулярном плоскости материала, может также быть эффективным. Соответственно, при выборе подходящего материала (материалов) для наружного слоя 28 рассматривают как желаемые механические свойства материала (материалов), о которых идет речь, так и желаемую модель действия защитного головного убора. При испытаниях было установлено, что к числу соответствующих материалов для наружного слоя 28 можно отнести: термопластичные эластомеры, например Santoprene (вырабатываемый фирмой Advanced Elastomer Systems в определенном диапазоне марок); Hytrel в твердой или вспененной формах; термореактивные эластомеры, например полиуретановые эластомеры (обычно в диапозоне твердости от 50 ед. по шкале А по Шору до 70 ед. по шкале D по Шору); High Q (резина, выпускаемая фирмой Astron); сорботан; натуральный или синтетический каучук или пластифицированные пеноматериалы; полиэтилен низкой или высокой плотности (LDPE или HDPE); а также обычные термопластичные или термореактивные пластики, хорошо известные в данной области. Наружный слой 28 может быть опционно армирован волокнами, обладающими высокой жесткостью и малым относительным удлинением, например стекловолокном, углеродными или арамидными (Kevlar) волокнами, для того чтобы снизить общую эластичность этого наружного слоя. При таком армировании волокном можно применять хаотическую или однонаправленную ориентацию волокон, использовать ткани или трикотажные материалы, или сетки, которые затем заформовывают в наружный слой.
Предусмотрено изготовление на заказ композитных или слоистых структур, которые можно эффективно использовать для обеспечения оптимальных механических свойств и эксплуатационных характеристик защитного головного убора. Например, для получения неэластичного наружного слоя 28, который бы являлся сжимаемым в направлении, перпендикулярном к плоскости материала, по существу неэластичный слой (как в плоскости материала, так и при воздействии сил в направлении, перпендикулярном плоскости материала) может быть соединен с эластичным слоем так, чтобы результирующая структура была бы по существу неэластичной в плоскости материала, но обладала способностью к упругому сжатию в направлении, перпендикулярном плоскости материала. Подходящие композитные или слоистые структуры могут быть изготовлены с использованием стандартных способов, хорошо известных в данной области, включая, например, заформовывание, совместное формование (или бинарное формование), технологии совместного экструдирования с использованием сетчатой структуры из стекловолокна.
Так как наружный слой 28 может быть пористым материалом, может быть желательным обеспечение гидроизоляции для предотвращения поглощения воды и пагубного воздействия на желаемые механические свойства шлема 20. Этого можно достигнуть, используя обычные гидроизоляционные технологии, например напыление композиций или наложение (не показано) тонкого, но прочного слоя, непроницаемого для воды, или применение обоих способов. Помимо этого, в тех случаях, когда желательно снизить коэффициент трения наружного слоя 28, выбранная гидроизоляционная обработка может служить и этой цели также. В альтернативном варианте исполнения, где гидроизоляция не требуется или не желательна, на наружный слой 28 может быть наложен только материал или слой с низким коэффициентом трения.
Для воспроизведения полезных защитных свойств головы 10 человека существенное значение имеет способ прикрепления наружного слоя 28 к жесткой оболочке 26. Изобретением предусмотрено несколько способов крепления наружного слоя 28 к жесткой оболочке 26, которые ниже последовательно описаны.
В варианте исполнения, представленном на Фиг.4 и 5, наружный слой 28 просто приклеен к нижнему периферическому краю оболочки 26 клейкой лентой 30. Подходящие клеящие материалы включают, например, двухстороннюю клейкую ленту, обладающую очень высокой прочностью скрепления, клей артикула 10/99, выпускаемые фирмой «3М»; цианоакрилат и эпоксидную смолу, выпускаемые фирмой Loctite. В альтернативных вариантах исполнения могут быть использованы обычные механические средства крепления. В противном случае наружный слой 28 остается неприкрепленным и таким образом может свободно перемещаться относительно оболочки 26, имитируя при этом защитное смещение скальпа 18. Смазка, например масло или мазь (с добавками или без них, например с дисульфидом молибдена), или другой элемент, обладающий низким коэффициентом трения, например слой политетрафторэтилена (PTFE), могут быть нанесены (или наложены) либо на одну, либо на обе стороны, либо проложены (не показано) между наружным слоем 28 и оболочкой 26 так, чтобы уменьшить трение и способствовать их относительному перемещению.
При ударе составляющие β силы, перпендикулярные к шлему 20, вызывают упругое сжатие наружного слоя 28 в перпендикулярном поверхности направлении, таким образом поглощая и рассеивая энергию. Касательные составляющие α силы создают усилия сдвига в наружном слое 28.
Воспринятая наружным слоем 28, являющимся по существу неэластичным в плоскости материала, величина усилия сдвига, которая не превышает значения прочности при сдвиге клейкой ленты 30 или не превышает величины, которая понуждает материал наружного слоя 28 поддаваться пластической деформации или разрыву, передается непосредственно через скрепление клейкой лентой 30 на жесткую оболочку 26. Однако, если величина силы удара такова, что напряжение при сдвиге, созданное в наружном слое 28, превышает прочность при сдвиге клейкой ленты 30 или предел текучести и/или предел прочности на разрыв материала наружного слоя 28, то происходит разрушение клейкой ленты 30 или пластическая деформация, или разрыв наружного слоя 28 (или, возможно, все три явления вместе). В этой ситуации наружный слой 28 может свободно перемещаться относительно жесткой оболочки 26 и обеспечивает поверхность, обладающую низким коэффициентом трения, между источником удара и жесткой оболочкой 26, в результате чего возникает возможность их движения друг относительно друга. Эта так называемая модель «разрушения» специально предусмотрена и является эффективным средством в противостоянии касательной составляющей α силы, посредством которой ограничивают или исключают передачу результирующих вращательных сил на остальную часть защитного шлема 20, прикрепленного к голове 10 потребителя. Это важно для снижения или исключения передачи вращательных сил через шлем 20 на мозг 12.
В альтернативном случае воспринятая наружным слоем 28, являющимся по существу эластичным в плоскости материала, величина усилия сдвига, которое не превышает значения прочности при сдвиге клейкой ленты 30 или не превышает величины, которая понуждает материал наружного слоя 28 поддаваться пластической деформации и разрыву, передается через клейкую ленту 30 на жесткую оболочку 26, но обычно величина передаваемой силы меньше величины действительно воспринятой силы. Уровень передачи усилий сдвига от наружного слоя 28 к оболочке 26 варьируется в зависимости от энергии, рассеянной при упругом растяжении и релаксации наружного слоя 28. Если наружный слой 28 растягивается при ударе (например, при ударе о дорожное покрытие), но релаксирует в то время, когда шлем 20 уже больше не находится в контакте с источником нанесения удара или другим телом, то не будет другой силы реакции, кроме реакции наружного слоя 28, и таким образом произойдет небольшой или не произойдет вовсе отскока шлема 20 и произойдет рассеяния энергии. Это произойдет потому, что наружный слой 28 в данном случае может свободно перемещаться относительно оболочки 28 и предоставляет поверхность, обладающую низким коэффициентом трения, между источником удара и жесткой оболочкой 26, что обеспечивает их перемещение друг относительно друга. Однако, если величина удара такова, что напряжение при сдвиге, возникшее в наружном слое 28, превышает предел прочности при сдвиге клейкой ленты 30 или предел текучести и/или предел прочности на разрыв материала наружного слоя 28, то произойдет разрушение клейкой ленты 30 или пластическая деформация и/или разрыв наружного слоя 28 (или, возможно, все три явления вместе). В этой ситуации наружный слой 28 может свободно перемещаться относительно жесткой оболочки 26 и обеспечивает поверхность, обладающую низким коэффициентом трения, между источником удара и жесткой оболочкой 26, в результате чего возникает возможность их движения друг относительно друга.
Эти (рабочие) модели «разрушения» являются эффективным средством в противостоянии касательной составляющей α силы, посредством которой ограничивают или исключают передачу результирующих вращательных сил на остальную часть защитного шлема 20, прикрепленного к голове 10 потребителя. Это важно для снижения или исключения передачи вращательных сил через шлем 20 на мозг 12. Исследования показали, что вращательные силы, в результате действия которых уровень напряжения в мозге превышает 20 кПа, могут вызвать повреждение в мозге человека. Таким образом, принимая во внимание цели настоящего изобретения, напряжение в мозге величиной 20 кПа выбрали в качестве порогового значения. В соответствии с этим предел прочности при сдвиге клейкой ленты 30 и/или материала, выбранного для изготовления наружного слоя 28, надлежит определять, принимая во внимание это значение (т.е. материал должен разрушаться при напряжении ниже критического порогового значения, вызывающего напряжение в мозге величиной 20 кПа), так как оно, что совершенно очевидно, является очень важным фактором для предотвращения повреждения в мозге при ударе.
На Фиг.11 схематически представлены предпочтительные зависимости «напряжение-растяжение», возникающие в описанных выше моделях разрушения. Во-первых, в варианте исполнения, в котором используют неэластичный наружный слой 28, напряжение (по оси У), как видно, увеличивается при незначительном увеличении растяжения (по оси X) до т. А, которая отображает разрушение клейкой ленты 30 или пластическую деформацию и/или разрыв наружного слоя 28. За этой точкой «удлинение», являющееся компонентой растяжения, стремится к бесконечности. Во-вторых, в варианте исполнения, в котором используют эластичный наружный слой 28, напряжение, как видно, увеличивается с увеличением растяжения до т. В, которая отображает разрушение клейкой ленты 30 или пластическую деформацию и/или разрыв наружного слоя 28. За этой точкой «удлинение», являющееся компонентой растяжения, стремится к бесконечности.
Следует подчеркнуть, что Фиг.11 (а также Фиг.12 и 13, на которые сделаны ссылки ниже) выполнена схематически только с целью иллюстрации. На Фиг.11 не отражены точные эксплуатационные характеристики, которые, конечно, варьируются в зависимости от конкретного сочетания материалов, выбранных для изготовления шлема 20.
Альтернативные способы прикрепления наружного слоя 28 к жесткой оболочке 26 показаны на Фиг.6а, 6b и 6с, где с целью обеспечения простоты и ясности внутренний слой 24, располагаемый внутри оболочки 26, не показан. Наружный слой 28 (см. Фиг.6а) содержит выступы 31, оканчивающиеся головками 32 со шляпками, которые пропущены через совмещаемые отверстия, выполненные в оболочке 26. Головки 32 со шляпками расположены у внутренней поверхности оболочки 26 и с их помощью удерживают наружный слой 28 на месте. Посредством головок 32 со шляпками совместно с выступами 31 удерживают наружный слой 28 на месте до наступления разрушения при предусмотренном значении предела прочности при сдвиге, например, на уровне, при котором напряжение в мозге может достигать значения 20 кПа или меньше. Применение такой конструкции позволяет исключить необходимость в клее (хотя при определенных условиях клей может быть, конечно, использован совместно с таким соединением).
Сходная конструкция изображена на Фиг.6b. Однако здесь вместо головок 32 со шляпками сформован сплошной внутренний слой 33 так, чтобы удерживать наружный слой 28 на месте на жесткой оболочке 26. Выступы 31 и внутренний слой 33 сконструированы так, чтобы разрушение выступов 31 происходило при предусмотренном пределе прочности при сдвиге, например, на уровне, при котором напряжение в мозге может достигать значения 20 кПа или меньше. Опять-таки, применение этой конструкции может позволить отказаться от необходимости использования клея. Кроме того, наличие сплошного внутреннего слоя 33 может быть полезным, если его использовать как внутреннюю прокладку 24, таким образом исключая потребность в отдельной дополнительной внутренней прокладке.
Еще одна конструкция изображена на Фиг.6с. В этой конструкции оболочка 26 сформована с шипами 34 в виде ласточкиного хвоста, которые выполнены так, чтобы их можно было сопрягать с совмещаемыми шипами в виде ласточкиного хвоста, сформованными на наружном слое 28. Предусмотрено, чтобы разрушение этих сопрягаемых элементов происходило при заданном пределе прочности при сдвиге, например, на уровне, при котором напряжение в мозге может достигать значения 20 кПа или меньше. Опять-таки, применение этой конструкции может позволить отказаться от необходимости использования клея.
В каждом варианте исполнения, представленном на Фиг.6а, 6b и 6с, наружный слой 28 предпочтительно формуют непосредственно на оболочке 26, используя, например, процессы заформовывания, совместного формования или двухстадийного формования. Применение этих обычных способов, хорошо известных в данной области, обеспечивает возможность того, что при жестких допусках осуществляют надежную и точную сборку так, чтобы гарантировать выполнение желаемых моделей разрушения (например, описанных выше). Прикрепление наружного слоя 28 к оболочке 26 в каждом случае можно осуществлять только у нижнего периферического края оболочки 26, как показано на Фиг.7а и 7b, или на участках по всей поверхности оболочки 26, как показано на Фиг.7с. В конструкции, изображенной на Фиг.7с, эффективно выполнена «точечная сварка» наружного слоя 28 с оболочкой 26. Такую конструкцию можно, конечно, создать и в варианте исполнения, описанном выше и изображенном на Фиг.4, с использованием клея в каждом желаемом месте.
Хотя уровень порогового значения напряжения в мозге, составляющего 20 кПа, является критическим, при превышении которого, как было установлено, происходит повреждение в мозге, может быть, конечно, желательно (в действительности, предпочтительно) предусмотреть много меньшее значение, при котором выполняется конкретная модель разрушения (например, на уровне, при котором происходит повышение напряжения в мозге, скажем, до 5, 10 или 15 кПа). Кроме того, в некоторых случаях применения может быть предпочтительным создание способа прикрепления, при котором разрушение происходило бы постепенно от уровня к уровню, причем эти уровни были бы эквивалентны уровням напряжения в мозге, например, соответствующим 5, 10, 15 и 20 кПа, либо в направлении от вершины шлема 20 к нижнему периферическому краю шлема 20, либо как-то иначе. Такая конструкция представлена на Фиг.7а, где в отверстия меньшего диаметра в жесткой оболочке 26 введены соответственно выполненные по диаметру выступы 31 наружного слоя 28. Эти сочетания отверстий и выступов увеличиваются в диаметре по направлению к нижнему периферическому краю шлема 20 для достижения желаемой модели последовательно нарастающего разрушения при ударе.
На Фиг.8а и 8b показаны детальные виды альтернативного варианта исполнения наружного слоя 28, который используют для достижения особого вида перемещения наружного слоя 28 относительно оболочки 26 прежде, чем произойдет разрушение, как описано ниже со ссылками на Фиг.12.
Наружный слой 28 прикреплен к оболочке 26 по его нижнему периферическому краю таким же образом, как и в варианте исполнения, описанном выше и изображенном на Фиг.4 и 5, т.е. путем склеивания клейкой лентой 30 (хотя могут быть также применены и другие способы механического крепления, описанные выше). Однако наружный слой 28 дополнительно снабжен промежуточной лентой 40 в форме гармошки. Промежуточная лента 40 может быть изготовлена за одно целое с наружным слоем 28 или в виде отдельной части, прикрепляемой к нему. Промежуточной ленте 40 придают такую форму, чтобы она была расположена около нижнего периферического края шлема 20. В случае применения по существу неэластичного наружного слоя 28 посредством промежуточной ленты 40 наружный слой 28 удерживают в положении, при котором он плотно прилегает к оболочке 26, как показано на Фиг.8а. При ударе промежуточная лента 40 поддается пластической деформации и растягивается, как показано на Фиг.8b, предоставляя возможность наружному слою 28 перемещаться относительно жесткой оболочки 26 до того момента, когда произойдет окончательное разрушение обычным образом, описанным выше (как только промежуточная лента 40 достигнет ее полного растяжения). В случае применения по существу эластичного наружного слоя 28 промежуточную ленту 40 естественно натягивают так, чтобы удерживать наружный слой 28 в положении, при котором он плотно прилегает к оболочке 26, как показано на Фиг.8а. При ударе промежуточная лента 40 подвергается упругой деформации и растягивается, как показано на Фиг.8b, предоставляя возможность наружному слою 28 перемещаться относительно жесткой оболочки 26 до того момента, когда произойдет окончательное разрушение обычным образом, описанным выше (как только промежуточная лента 40 достигнет ее полного растяжения).
Эти модели разрушения проиллюстрированы на Фиг.12, схематической диаграмме, на которой представлены предпочтительные зависимости «напряжение-растяжение». Во-первых, в варианте исполнения, в котором используют неэластичный наружный слой 28, растяжение (по оси X), как видно, увеличивается при незначительном увеличении напряжения (по оси У) до т. А, когда достигается полное растяжение промежуточной ленты 40. После этого, как видно, напряжение увеличивается при незначительном увеличении растяжения до т. В, которая отображает разрушение клейкой ленты 30 или пластическую деформацию и/или разрыв наружного слоя 28. За этой точкой «удлинение», являющееся компонентой растяжения, стремится к бесконечности. Во-вторых, в варианте исполнения, в котором используют эластичный наружный слой 28, напряжение, как видно, увеличивается с увеличением растяжения до т. С, которая отображает разрушение клейкой ленты 30 или пластическую деформацию и/или разрыв наружного слоя 28. За этой точкой «удлинение», являющееся компонентой растяжения, стремится к бесконечности.
Промежуточная лента 40 может состоять из того же самого материала, что и наружный слой 28, или может быть изготовлена из материала, обладающего большей или меньшей податливостью, чем наружный слой 28. Наружный слой 28 прикрепляют к оболочке 26 только посредством промежуточной ленты 40, благодаря чему остальная часть наружного слоя 28 может свободно перемещаться относительно расположенной под ней оболочки 26. Промежуточная лента 40 не обязательно должна иметь форму гармошки, вместо этого ей может быть придана любая форма, при которой предусматривают специальный участок наружного слоя 28, предназначенный для пластической или упругой деформации при ударе.
Слой смазочного геля или другого материала, применяемого для уменьшения трения, может быть введен между наружным слоем 28 и оболочкой 26, посредством которого облегчают относительное перемещение наружного слоя 28 и оболочки 26. К числу подходящих смазочных материалов или веществ, с помощью которых уменьшают трение, относятся (но их перечень не ограничен приведенными наименованиями): силикон, краска на политетрафторэтилене (PTFE) фирмы Kluber, молибденовая смазка и пищевой жир фирмы Kluber.
Другой вариант исполнения шлема 20 представлен на Фиг.9а, 9b и 9с. В этом варианте исполнения наружный слой 28 также снабжен промежуточной лентой 40, прикрепленной к оболочке 26 способом, сходным с описанным выше и проиллюстрированным на Фиг.8а и 8b. Однако в этом случае применяют дополнительную клейкую ленту 32 или другие средства фиксации, расположенные по периферии в общем вблизи, но на несколько большем отдалении от края, чем промежуточную ленту 40, как это лучше всего показано на Фиг.9а. Наружный слой 28 прикрепляют к оболочке 26 только посредством клейких лент 30, 32 и, таким образом, наружный слой 28 в противном случае может свободно перемещаться относительно оболочки 26. Предпочтительно, однако, чтобы дополнительная клейкая лента 32 была выполнена так, чтобы она обладала более низкой прочностью при сдвиге, эквивалентной уровню напряжения в мозге, скажем, порядка 10 кПа. Таким образом, под воздействием удара по шлему 20, при котором возникают напряжения в мозге вплоть до 10 кПа, модель действия наружного слоя 28 аналогична той, которая проиллюстрирована на примере исполнения, представленном на Фиг.4 и 5. Однако, если уровень напряжения при сдвиге, возникающего в наружном слое 28, превышает уровень, эквивалентный уровню напряжения в мозге, соответствующего 10 кПа, то клейкая лента 32 срезается, в результате чего происходит переход к последующей модели действия наружного слоя 28, подобной тем моделям, которые представлены в вариантах исполнения, описанных выше и проиллюстрированных на Фиг.8а и 8b. Опять-таки, относительному перемещению может способствовать введение промежуточной поверхности с низким коэффициентом трения (например, из полиэтилентерефталата (PTFE)) или другого смазочного слоя между наружным слоем 28 и оболочкой 26.
Эти модели разрушения проиллюстрированы на Фиг.13, схематической диаграмме, на которой представлены предпочтительные зависимости «напряжение-растяжение». Во-первых, в варианте исполнения, в котором используют неэластичный наружный слой 28, напряжение (по оси У), как видно, увеличивается при незначительном увеличении растяжения (по оси X) до т. А, которая отображает разрушение клейкой ленты 32, вслед за чем растяжение, как видно, увеличивается при незначительном увеличении напряжения до т. С, когда достигается полное растяжение промежуточной ленты 40. После этого напряжение, как видно, увеличивается при незначительном увеличении растяжения до т.D, которая отображает разрушение клейкой ленты 30 или пластическую деформацию и/или разрыв наружного слоя 28. За этой точкой «удлинение», являющееся компонентой растяжения, стремится к бесконечности. Во-вторых, в варианте исполнения, в котором используют эластичный наружный слой 28, напряжение, как видно, увеличивается с увеличением растяжения до т. В, которая отображает разрушение клейкой ленты 32, вслед за чем растяжение, как видно, увеличивается с увеличением напряжения до тех пор, пока промежуточная лента 40 не достигнет полного растяжения в т. С. После этого напряжение увеличивается с увеличением растяжения до точки, которая отображает разрушение клейкой ленты 30 или пластическую деформацию и/или разрыв наружного слоя 28. За этой точкой «удлинение», являющееся компонентой растяжения, стремится к бесконечности.
Другой вариант исполнения шлема 20 представлен на Фиг.10а и 10b. В этом варианте исполнения наружный слой 28 снабжен промежуточной лентой 40 и прикреплен к оболочке 26 таким же способом, как и в варианте исполнения, описанном выше и представленном на Фиг.8а и 8b. Однако вместо дополнительной клейкой ленты 32, как показано на Фиг.9а, 9b и 9с, здесь введена разрываемая лента 29, расположенная параллельно промежуточной ленте 40. Эта разрываемая лента 29, как и клейкая лента 32, выполнена так, чтобы ее прочность при сдвиге была эквивалентна уровню напряжения в мозге, скажем, соответствующему 10 кПа. Таким образом, под воздействием удара по шлему 20, при котором возникают напряжения в мозге вплоть до 10 кПа, модель действия наружного слоя 28 аналогична той, которая проиллюстрирована на примере исполнения, представленном на Фиг.4 и 5. Однако, если уровень напряжения при сдвиге, возникающего в наружном слое 28, превышает уровень, эквивалентный уровню напряжения в мозге, соответствующего 10 кПа, то разрываемая лента 29 срезается, в результате чего выполняется модель действия наружного слоя 28, аналогичная той, которая имеет место в вариантах исполнения, описанных выше и проиллюстрированных на Фиг.8а и 8b.
Эти модели разрушения также проиллюстрированы на Фиг.13. Во-первых, в варианте исполнения, в котором используют неэластичный наружный слой 28, напряжение (по оси У), как видно, увеличивается при незначительном увеличении растяжения (по оси X) до т. А, которая отображает разрушение разрываемой ленты 29, вслед за чем растяжение, как видно, увеличивается при незначительном увеличении напряжения до т. С, когда достигается полное растяжение промежуточной ленты 40. После этого напряжение, как видно, увеличивается при незначительном увеличении растяжения до т. D, которая отображает разрушение клейкой ленты 30 или пластическую деформацию и/или разрыв наружного слоя 28. За этой точкой «удлинение», являющееся компонентой растяжения, стремится к бесконечности. Во-вторых, в варианте исполнения, в котором используют эластичный наружный слой 28, напряжение, как видно, увеличивается с увеличением растяжения до т. В, которая отображает разрушение разрываемой ленты 29, вслед за чем растяжение, как видно, увеличивается с увеличением напряжения до тех пор, пока промежуточная лента 40 не достигнет полного растяжения в т. С. После этого напряжение увеличивается с увеличением растяжения до точки, которая отображает разрушение клейкой ленты 30 или пластическую деформацию и/или разрыв наружного слоя 28. За этой точкой «удлинение», являющееся компонентой растяжения, стремится к бесконечности.
Следует отметить, что материалы, перечисленные выше как подходящие для изготовления наружного слоя 28 и оболочки 26, указаны в качестве примеров, а не ограничения, так как важным критерием в каждом случае является конкретное сочетание материалов и взаимодействие механических свойств каждого из них в шлеме 20, посредством которого имитируют защитные свойства головы 10 человека.
Следует иметь ввиду, что в ходе проводимых работ в области материаловедения создают новые материалы или новые сочетания существующих материалов (не говоря уже о технологиях их производства), которые могут быть пригодны для использования в настоящем изобретении.
Во всех приведенных выше вариантах исполнения обращенная наружу поверхность наружного слоя 28 и обращенная наружу поверхность оболочки 26 могут включать в свой состав смазку или материал, посредством которого уменьшают трение, чтобы исключить необходимость в промежуточном слое, например в виде смазочного геля или слоя, посредством которого снижают трение.
Был проведен существенный объем испытаний вариантов исполнения шлемов согласно изобретению и была достигнута возможность очень существенного снижения максимального значения силы, направленной по касательной, передаваемой через шлем 20 к голове 10 потребителя. Кроме того, было достигнуто умеренное снижение максимального значения линейных ускоряющих сил.
Сочетание материалов для изготовления головного убора следует выбирать, принимая во внимание то, что звукоизоляционные свойства сочетания материалов могут представлять опасность при применении их в мотоциклетных и велосипедных шлемах. В области расположения ушей потребителя в защитном головном уборе всегда можно создать перфорацию.
В шлемах для военных или аэронавтов можно использовать дополнительный материал или наушники для обеспечения защиты от шума, а также создать дополнительную защиту от боковых ударов, которые имеют тенденцию вызывать разрушения основания черепа. Помимо этого, в конструкцию шлема могут быть введены средства для защиты глаз и другие полезные приспособления, а также респираторные устройства, например маски от газов и от воздушных загрязнителей.
Так как при выборе определенных сочетаний материалов теплоизоляционные свойства описанных шлемов могут быть слишком высокими, то должны быть предусмотрены средства для обеспечения вентиляции при соответствующих погодных условиях. Надлежит предусмотреть впускные и выпускные отверстия с регулируемыми средствами для впуска воздуха и соображения будут высказаны по поводу создания вентиляционных каналов в верхней части шлема в тех вариантах исполнения, где отсутствует специально создаваемый воздухообмен.
Во многих случаях, в частности во время аварий в промышленных условиях, включающих падение, шлем слетает с головы. Поэтому важным элементом защиты головы является система крепления шлема. С каждой стороны шлема 20 предпочтительно предусматривают двухточечное крепление, одна - спереди, а вторая - сзади центральной поперечной вертикальной плоскости. Обычно обеспечивают либо сдвоенный ремешок 21, соединенный так, чтобы образовывать ремешок для крепления под подбородком, либо чашку, либо одиночный ремешок с каждой стороны крепления, причем передний ремешок обеспечивает опору для подбородка, а задний ремешок - опору для затылка. Система крепления во многом зависит от формы шлема и его конкретного применения.
Еще одна отличительная особенность настоящего изобретения заключается в том, что предложен способ преобразования существующих «шлемов-касок» в шлемы с «мягким» наружным покрытием согласно настоящему изобретению, предпочтительно с обеспечением эффективных систем для крепления на голове. Мягкие покрытия и новые системы крепления, разработанные для применения их в существующих головных уборах, включены в объем изобретения. Кроме того, установлено, что взаимозаменяемые или заменяемые наружные слои могут быть изготовлены для использования их в сочетании с различными вариантами исполнения настоящего изобретения. Особенно целесообразно изготавливать наружные слои различных цветов и различного графического дизайна, скорее всего в виде заменяемых покрытий для мобильных телефонов. Не рекомендуется использовать эти наружные слои для замены «поврежденных» наружных слоев, так как структурная целостность остальной части шлема 20, возможно, была нарушена, если даже повреждение не видимо для глаз.
Хотя представленное выше изобретение описано со ссылками на его использование в защитных головных уборах, изобретение может быть также использовано в защитной одежде, например в бронежилетах. В защитной одежде могут быть применены те же принципы наложения наружного слоя, а также способы крепления к основной панели защитной одежды и различные модели «разрушения», описанные выше.
На Фиг.14 изображен предмет защитной одежды в виде нагрудной панели 100, которую потребитель может носить спереди и прикреплять ремешками 101. На Фиг.15 изображено поперечное сечение предмета защитной одежды, представленного на Фиг.14, где нагрудная панель 100, содержащая основной слой 102, имеющий первую поверхность, которая при использовании предназначена для восприятия динамических ударов. Защитная одежда также содержит наружный слой 104, которым покрыта первая поверхность основного слоя 102. Наружный слой 104 выполняют так, чтобы он (по принципу действия) соответствовал скальпу 18. В соответствии с этим в первом варианте исполнения использован наружный слой 104, являющийся по существу неэластичным в плоскости слоя, но упруго сжимаемым, когда его подвергают воздействию сил в направлении, перпендикулярном поверхности слоя (аналогично скальпу 18). Однако при испытаниях было установлено, что второй вариант исполнения, содержащий наружный слой 104, являющийся по существу эластичным как в плоскости слоя, так и тогда, когда его подвергают воздействию сил в направлении, перпендикулярном поверхности слоя, также может быть эффективным. Посредством основного слоя 102 имитируют череп 16 и таким образом обеспечивают жесткую поверхность для рассеивания энергии, в то же время допуская определенную степень сжатия или разрушения для облегчения повышенного поглощения энергии. К числу подходящих материалов для изготовления наружного слоя 104 и основного слоя 102 можно отнести те же материалы, которые были перечислены и описаны выше и предназначены для защитного головного убора.
Наружный слой 104 может быть прикреплен к основному слою 102 сходным образом и с использованием любого из механизмов, описанных выше, предназначенных для защитного головного убора. Эти варианты исполнения проиллюстрированы на Фиг.16а, 16b, 16с, 16d и 16е.
Между наружным слоем 104 и основным слоем 102 может быть введен промежуточный слой из смазочного геля для улучшения их относительного перемещения. Этот слой не существенен и может быть заменен твердым слоем материала с низким коэффициентом трения (например, слоем политетрафторэтилена). В альтернативном варианте исполнения смазка может быть введена во внутреннюю поверхность одного, другого или обоих слоев: наружного слоя 104 и основного слоя 102.
Защитную одежду выполняют таким образом, чтобы при восприятии составляющих силы удара обращенной наружу поверхностью наружного слоя 104, модель рассеяния и поглощения энергии была бы аналогична той, которая описана выше в отношении защитного головного убора.
Настоящим изобретением также создан способ модификации защитной одежды, содержащий этап обеспечения «мягкого» наружного слоя для покрытия существующей основной панели.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ЗАЩИТНАЯ ОДЕЖДА ПЧЕЛОВОДА | 1997 |
|
RU2116041C1 |
| Устройство для крепления защитных средств на головном уборе | 1978 |
|
SU1022691A1 |
| ЗАЩИТНАЯ ОДЕЖДА ВОДОЛАЗА | 2023 |
|
RU2822027C1 |
| Способ изготовления защитного головного убора и устройство для его осуществления | 2020 |
|
RU2752869C1 |
| Защитный головной убор | 1987 |
|
SU1475575A1 |
| ЗАЩИТНЫЙ ШЛЕМ | 1999 |
|
RU2173441C2 |
| ЗАЩИТНАЯ ОДЕЖДА ПЧЕЛОВОДОВ | 2000 |
|
RU2176897C1 |
| Устройство для крепления защитных средств на головном уборе | 1980 |
|
SU1044264A1 |
| Способ изготовления защитного головного убора от электромагнитного излучения и устройство для его осуществления | 2019 |
|
RU2753626C2 |
| ЗАЩИТНЫЙ ГОЛОВНОЙ УБОР | 1999 |
|
RU2161008C1 |
Предложен защитный головной убор, защитная одежда и способ модификации защитного головного убора и защитной одежды. Данные защитные средства характеризуются тем, что при их применении можно имитировать характерные особенности поведения тела человека, обеспечивающие защиту его от травм. Защитный головной убор включает оболочку (26), имеющую обращенную внутрь поверхность, которая при использовании обращена к голове потребителя головного убора; и обращенную наружу поверхность, которая при использовании обращена от головы (10) потребителя. Наружный слой (28) наложен поверх по меньшей мере части обращенной наружу поверхности оболочки (26) и предусмотрено разрываемое средство (30) для фиксированного прикрепления наружного слоя (28) к остальной части головного убора в одном или большем числе мест. Разрываемому средству (30) придана такая конфигурация, чтобы оно разрывалось тогда, когда сила, большая выбранного порогового значения, приложена к наружной поверхности (28) головного убора, которая действует, по меньшей мере частично, по касательной так, чтобы повернуть головной убор и голову потребителя. При разрушении разрываемого средства (30) в одном или большем числе мест приложенная сила заставляет по меньшей мере часть наружного слоя (28), воспринявшего силу, перемещаться относительно оболочки (26) аналогично защитному движению скальпа человека относительно черепа. 8 н. и 53 з.п. ф-лы, 16 ил.
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
| ЗАЩИТНЫЙ ШЛЕМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 1994 |
|
RU2112411C1 |
| Защитная каска | 1986 |
|
SU1391584A1 |
| Защитная каска | 1978 |
|
SU856430A1 |
