ناحیه بنفش موجود در این تصویر، انرژی جنبشی را نشان می‌دهد که به هنگام سر به سر شدن بازیکن‌ها، در امتداد کلاه ایمنی یک بازیکن و به درون مغز او جریان می‌یابد و رنگهای موجود در مغز محل جریان یافتن این انرژی و هشدار صدمه دیدگی را نشان می‌دهد.

دو بازیکن فوتبال (منظور فوتبال آمریکایی یا راگبی) در زمین بازی با یکدیگر برخورد می‌کنند. هر دو آنها کلاه ایمنی به سر دارند. با این وجود احتمال برخورد سر آنها با یکدیگر و آسیب دیدگی جدی وجود دارد. طراحی نوعی کلاه ایمنی می‌تواند محافظت از سر این بازیکن‌ها را دوچندان سازد. کلید برتری این نوع کلاه در استفاده از سه لایه عایق جاذب انرژی است. اکثر کلاه‌های امروزی تنها از یک لایه تشکیل شده‌اند.

به گفته‌ی الن آرودا مهندس مکانیک از دانشگاه میشیگان واقع در آن آربور (Ann Arbor): «کلاه‌های کنونی در کاهش نیروی وارده به جمجمه به خوبی عمل می‌کنند». اما کاهش نیرو تنها مشکل کار نیست. وارد آمدن یک ضربه به سر امواجی از انرژی جنبشی را از میان جمجمه سر عبور داده و به مغز ارسال می‌کند. انرژی جنبشی همان انرژی حرکتی است.

مایکل توولس مهندس مکانیک از میشیگان عنوان می‌کند که: «تصور کنید یک تخم مرغ در اختیار دارید و به آن ضربه وارد می‌سازید». ضربه زدن به تخم مرغ می‌تواند موجب ترک خوردن پوسته آن شود. اما تکانه ناشی از انرژی جنبشی همچنین ممکن است تخم مرغ را درهم شکند.

اتفاقی شبیه به آن نیز زمانی که به سر ورزشکار ضربه وارد می‌شود، رخ خواهد داد. حتی در صورتی که جمجمه ترک برندارد، تکانه ناشی از انرژی از میان جمجمه و مغز عبور می‌کند. اما مغز و جمجمه با یک سرعت یکسان حرکت نمی‌کنند. بنابراین قسمت‌هایی از مغز می‌تواند با جمجمه برخورد نماید.
کلاه  مخصوص دوچرخه سواری به گونه‌ای ساخته شده است که در برابر ضربه درهم شکسته یا تغییر شکل می‌دهدکلاه  مخصوص دوچرخه سواری به گونه‌ای ساخته شده است که در برابر ضربه درهم شکسته یا تغییر شکل می‌دهد. این عمل مقدار قابل توجهی از انرژی جنبشی را جذب می‌کند. با این حال، پس از آن، کلاه ایمنی را بایستی به دور بیاندازیم. این نوع کلاه برای فوتبال آمریکایی و سایر ورزشهای برخوردی مناسب نمی‌باشد. و به عقیده‌ی آرودا کلاه‌های مخصوص این ورزشها در کاهش انرژی جنبشی ضعیف عمل می‌کنند.

تیم الن آرودا طرح سه لایه‌ی تنظیم شده در دانشگاه میشیگان جهت حفظ سر به هنگام برخورد در زمین مسابقه را معرفی می‌کند.

در حال حاضر این دو مهندس دانشگاه میشیگان جهت بهبود استاندارد کلاه ایمنی خود با طناز رحیم‌زاده دانشجوی کارشناسی ارشد در حال همکاری هستند. در طرح جدید آنها از سه لایه پلیمر یعنی موادی پلاستیکی استفاده می‌شود که مولکولهای آنها از زنجیره‌ای از گروه‌های تکراری از اتم‌ها تشکیل شده‌اند. این سه لایه با یکدیگر، هم نیروی وارده بر اثر ضربه و هم انرژی جنبشی ناشی از ضربه را کاهش می‌دهند.
 

لایه‌های مختلف، عملکردهای متفاوت

این تیم پروژه خود را در مسابقات Head Health Challenge III به نمایش گذاشتند. این رقابت بخشی از برنامه چهار ساله‌ای است که توسط لیگ فوتبال ملی (NFL)، مؤسسه ملی استاندارد و فناوری، و سایرین برگزار می‌شود. هدف کلی این برنامه محافظت بهتر سر از آسیبهای مغزی است.

تیم میشیگان تمرکز اولیه خود را بر روی سر به دلیل آسیب‌های وارده بر آن گذاشت. آرودا توضیح می‌دهد که: «تیم ما علل حرکت مغز در جمجمه به هنگام وارد آمدن ضربه به جمجمه را مورد تجزیه و تحلیل قرار داده است». درک حرکت و عوامل مؤثر بر آن، تیم او را برآن داشت که کلاهی سه لایه را طراحی نمایند.

این تیم در مرحله بعد پلیمر را انتخاب نمود. به گفته توولس: «می‌دانستیم که به دنبال چه ویژگی‌هایی باشیم». با استفاده از این دانش، تیم در میان کاتالوگها به دنبال موادی با ترکیباتی بودند که عملکرد قابل قبولی داشته باشند.

این تیم جهت جذب انرژی جنبشی، برای لایه درونی از یک الاستومر گرانرو (ویسکوز) استفاده نمودند. این ماده همانند فنر یا ماده‌ای با قابلیت ارتجاعی است که پس از تغییر شکل دادن به شکل اولیه خود بازمی‌گردد. با این حال، بر خلاف مواد ارتجاعی متداول، این ماده به آرامی به شکل اولیه خود بازمی‌گردد. فوم حافظه موجود در برخی بالشها و تشکها نمونه‌ای از این نوع ماده است.

این مواد همانطور که شکل خود را تغییر داده و مجدداً به حالت اولیه بازمی‌گردند، مقداری از انرژی جنبشی خود را از دست می‌دهند. این بدان معناست که در یک کلاه ایمنی، مقدار کمتری از این انرژی به درون سر وارد خواهد شد. کمتر بودن این میزان به نوع پلیمر و همچنین به فرکانس یا طول موج تکانه بستگی دارد. هریک از انواع الاستومر گرانرو دارای یک فرکانس انرژی مخصوص به خود بوده که می‌تواند به بهترین شکل آن را از بین ببرد.

توولس خاطر نشان می‌کند که هرچند، یک ضربه منفرد تکانه‌ای تنها با یک فرکانس ارسال نمی‌کند. در عوض این تکانه در امتداد کلاه و درون سر با یک محدوده فرکانسی پخش می‌شود. این وضعیت همانند ضربه زدن به یک دسته کلید پیانو با مشت خود است.

در اینجاست که دو لایه دیگر این طراحی به کار می‌آیند. همانطور که در کلاه‌های استاندارد، دو لایه بیرونی مقدار قابل توجهی از نیروی ضربه را جذب می‌کنند.

این لایه‌ها همچنین با یکدیگر همکاری کرده و گروه فرکانسهای یک ضربه را به تنها یک فرکانس تغییر می‌دهند. این فرکانسها میان این دو لایه در نوسان هستند. کریستین فرانک مهندس دانشگاه براون واقع در پراویدنس رود آیلند (Providence, R.I‎) که خود در این پروژه دخیل نبوده است، عقیده دارد که این انرژی هنگامی که در نهایت از میان آن عبور نماید، به یک فرکانس تنظیم می‌شود، فرکانسی که با درونی‌ترین لایه به بهترین شکل کار می‌کند.
این کلاه در مقایسه با سایر کلاه‌ها، تنها یک پنجم انرژی جنبشی ناشی از ضربه را به درون سر وارد می‌نمایدنمونه اولیه این کلاه به خوبی عمل نمود. این کلاه در مقایسه با سایر کلاه‌ها، تنها یک پنجم انرژی جنبشی ناشی از ضربه را به درون سر وارد می‌نماید. این تیم نتایج بدست آمده را در دسامبر 2015 در مجله مکانیک و فیزیک جامدات به چاپ رساندند.

این طرح هم اینک یکی از پنج فینالیست در رقابت Head Health Challenge است. در طی سال آینده، این تیم قصد دارد طرح خود را بهبود بخشد. به عنوان مثال این گروه قصد دارد پلیمرهای دیگری را مورد آزمایش قرار دهد.

فرانک این کلاه جدید را به یک طراحی بسیار هوشمندانه توصیف می‌کند. او همچنین در خصوص نحوه تأثیرگذاری یک ضربه بر روی مغز تحقیق نموده است. او عنوان می‌کند که: «از ایده کاهش انرژی ناشی از ضربه پیش از برخورد با مغز استقبال می‌کنم». او می‌افزاید: «کاملاً باور دارم که این رویکرد درستی است».

به گفته‌ی آرودا: «این کلاه هزینه‌ای بیش از کلاه‌های حاضر را برای فرد تحمیل نمی‌کند». این بدان معناست که ورزشکاران در هر سنی در صورت پرداختن به ورزشهای برخوردی مانند راگبی یا فوتبال، می‌توانند از این کلاه استفاده کنند.

او می‌افزاید: «همین طراحی می‌تواند در موارد دیگر نیز مورد استفاده قرار گیرد». به عنوان مثال، لایه‌های چندگانه می‌تواند به بهبود پدهای زانو و شانه در برخی ورزشها کمک کند. همچنین می‌تواند جهت ایمن ساختن سطوح زمین بازی مورد استفاده قرار گیرد.
 

منبع: sciencenewsforstudents