Estructura protectora.

Una estructura protectora (200, 240) para proteger un cuerpo frente a un impacto,

que comprende:

una capa interna (201, 244) de material relativamente fl 5 exible, teniendo dicha capa interna una pluralidad deaberturas espaciadas entre sí (208, 248) que se extienden entre caras opuestas de la misma,

una pluralidad correspondiente de unidades protectoras (10, 220), constituyendo cada unidad protectora un recintoplegable estanco al fluido (10, 220), un volumen de fluido que llena el recinto y al menos un orificio (16, 230) en unapared del recinto que ventila de forma resistiva fluido desde el recinto (10, 220) a una tasa seleccionada enrespuesta a un impacto sobre la estructura (200, 240), estando recibidas dicha pluralidad de unidades protectoras(10, 220) en la pluralidad de aberturas (206, 248) de modo que los correspondientes primeros segmentos (10, 222)de los recintos (10, 220) que se proyectan desde una cara de la capa interna (206, 244) forman juntos una capamedia (202, 246), y las superficies de cooperación (222c, 244) en la capa interna (206, 244) y cada unidadprotectora (10, 220) para retener cada unidad protectora en la abertura correspondiente (206, 248) en la capainterna (206, 244);

caracterizada porque el primer segmento del recinto (10, 222) de cada unidad protectora (10, 220) comprende unpar de paredes laterales sustancialmente troncocónicas (18, 222b) conectadas en oposición para definir un ánguloobtuso entre ellas (en B, B'), extendiéndose dichas paredes laterales desde la superficie de cooperación (14a, 222c)de esa unidad protectora hasta una pared de extremo (222a) del primer segmento del correspondiente recinto (10,222).

Estructura protectora

Campo de la invención La presente invención se refiere, en general, a un procedimiento y sistema de gestión de energía de impacto. Más específicamente, se refiere a una estructura protectora que está diseñada para proteger un objeto o cuerpo impactado de un daño debido a impactos y que tiene propiedades que se adaptan fácilmente para proporcionar respuestas de atenuación de impacto óptimas sobre una amplia variedad de energías de impacto.

Información antecedente A. La física de colisión de objetos Un objeto en movimiento posee energía cinética (Ec) , que es una función de su masa (m) y velocidad (v) , descrita por la ecuación:

Ec = ½ m v2 (1)

Cuando ese objeto colisiona con otro objeto, la energía se transfiere, impartiendo una fuerza (F) . La fuerza transmitida es una función de dos relaciones primarias.

En primer lugar, la fuerza (F) impartida a un objeto es igual a la masa del objeto (m) y su aceleración resultante (a) , que se rige por la segunda ley de movimiento de Newton, fuerza = masa x aceleración o F = m·a. La aceleración (a)

mide el cambio del objeto en su velocidad (/v) con el tiempo (t) (el cambio en la velocidad puede ser positivo o negativo, por lo tanto la aceleración puede representar una cantidad positiva o bien negativa) , por lo que la ley de Newton se puede reescribir como sigue:

F = m ( (Lv) /t) (2)

A partir de esta ecuación, es evidente que una forma de reducir la fuerza impartida a un objeto de masa fija (m) es la de prolongar el tiempo (t) sobre el que el objeto cambia su velocidad, reduciendo de este modo su aceleración.

En segundo lugar, la fuerza (F) es un resultado de la distancia (d) sobre la que se transfiere la energía del objeto (E) (en forma de energía cinética) , lo que da la ecuación: 35 F = E/d (3)

A partir de esta ecuación, es evidente que otra forma de reducir la fuerza (F) de un objeto que impacta con una cantidad dada de energía (E) es la de prolongar la distancia (d) sobre la que se transfiere la energía del objeto (E) .

Una tercera relación rige el efecto de una fuerza impartida. La presión (P) describe la concentración de la fuerza (F) sobre un área (A) dentro de la que se imparte la fuerza (F) y se rige por la ecuación:

P =F/A (4)

A partir de esta ecuación, es evidente que se puede reducir la presión (P) de un impacto reduciendo la fuerza (F) 45 impartida por el objeto que impacta o incrementando el área (A) sobre la que se imparte la fuerza (F) .

Dadas las tres relaciones anteriores, es evidente que los procedimientos para reducir el daño causado por un objeto que impacta son disminuir el nivel de la fuerza (F) impartida prolongando el tiempo (t) sobre el que ese objeto acelera (o decelera) o la distancia (d) sobre la que se transfiere energía, o incrementar el área (A) sobre la que se extiende esa fuerza (F) . Un sistema ideal podría emplear los tres procedimientos para reducir el daño por impacto.

La fuerza se mide en Newtons (1 N = 1 kg·m/s2) o libras (lb) : la masa de mide en kilogramos (kg) o libras de masa (lb-m) : y la aceleración se mide en metros por segundo por segundo (m/s2) o pies por segundo por segundo (ft/s2) . Una fuerza comúnmente conocida es el peso (w) que mide la fuerza de gravedad que actúa sobre un objeto. Es 55 igual a la masa del objeto (m) multiplicada por la aceleración debida a la gravedad (g) , que es de 9, 81 m/s2 o 32 ft/s2. Cuando se comparan las fuerzas que actúan sobre objetos de la misma masa o de masa similar (m) , es común expresarlas en términos de unidades de aceleración en lugar de unidades de fuerza (recordar, F=ma) . En estos casos, la aceleración a menudo se expresa como múltiplos de la aceleración de la gravedad, o en "g". Por tanto, se puede decir que un objeto ha experimentado una fuerza "80-g", o una fuerza igual a 80 veces la fuerza de la gravedad. En general, se puede asumir que las fuerzas más altas son más dañinas para un objeto que las fuerzas más bajas.

En cualquier actividad en la que sea probable que dos objetos colisionen, es una práctica común utilizar materiales o estructuras protectoras diseñadas para gestionar la energía de la colisión y minimizar el daño al objeto impactado 5 causado por la colisión. Un procedimiento común de someter a prueba la eficacia de dichos sistemas protectores es el de impartir una fuerza conocida (F) a un lado del material o la estructura protectora y medir la fuerza transmitida a través del sistema al otro lado. A menudo, esto se lleva a cabo con una "prueba de caída". En este tipo de prueba, se deja caer un objeto que impacta (o se acelera mecánicamente) desde una altura dada sobre una superficie fija, que está adaptada para registrar la fuerza impartida en ella por el objeto que impacta. Es típico que la superficie impactada sea una placa de acero, bajo la que está unido un "anillo de fuerza", que puede registrar las fuerzas suministradas a la placa, y transmitir una señal representativa de las fuerzas a un sistema de captura de datos, típicamente un ordenador programado. La combinación de la placa de acero y el anillo de fuerza se denomina "placa de fuerza". Por tanto, una comparación útil de los sistemas protectores implica situar el material o sistema de gestión de energía sobre la placa de fuerza, dejar caer una masa de impacto sobre el sistema o material, y registrar las fuerzas transmitidas a través del material o sistema a la placa de fuerza en función del tiempo.

Cuanto mayor sea la altura desde la que se deja caer un objeto de masa fija, mayor será la velocidad que alcanzará antes del impacto, y más energía cinética poseerá para transferir a la superficie impactada. La fuerza de ese impacto con el tiempo se representa en una curva de fuerza/tiempo, tal como la curva mostrada en la figura 1 del dibujo adjunto.

Es importante destacar que todos los objetos con la misma masa y la misma velocidad de impacto poseerán la misma cantidad de energía. La manera en que se gestiona esa energía por un material o estructura protectora determinará la forma de la curva de fuerza/tiempo. Para un objeto dado que impacta con una velocidad dada, el área bajo la curva de fuerza/tiempo, conocida como el impulso (I) , será la misma, independientemente de la forma de la curva. Sin embargo, la forma de esa curva es una representación del perfil de fuerza, que puede variar significativamente, dependiendo del sistema de gestión de energía que se emplee. En general, cuando se gestionan impactos, se puede considerar que el nivel de fuerza máximo alcanzado es el indicador más crítico de la eficacia de un sistema de gestión de energía.

B. Espuma como material absorbente del impacto Uno de los materiales más comunes usados para proteger objetos de fuerzas de impacto es la espuma. Las espumas sólidas forman una clase importante de materiales de ingeniería celular ligeros, y se usan en muchas aplicaciones en las que los impactos son comunes, tales como en actividades deportivas (por ejemplo, casco protector) y aplicaciones de automoción (por ejemplo, revestimientos de salpicadero) . La definición más general de espuma es una sustancia que contiene un volumen relativamente alto en porcentaje de poros pequeños, y que está formada por burbujas de gas atrapadas en un líquido o sólido. Los poros permiten que la espuma se deforme elásticamente bajo un impacto, y la energía de impacto se disipa ya que el material se comprime. En general, las espumas disminuyen la presión por impacto extendiendo las fuerzas sobre un área amplia y prolongando la distancia y el tiempo sobre los que se producen los impactos y reducen de este modo el nivel de fuerza transmitida.

Aunque las espumas han sido un pilar en la protección contra impacto durante décadas, se basan únicamente en la deformación del material para sus capacidades de gestión de la energía. Esto presenta dos limitaciones importantes.

En primer lugar, basarse en propiedades materiales limita gravemente la adaptabilidad de la espuma. Las espumas se pueden adaptar para responder de forma óptima sólo a un intervalo muy específico de energías de impacto, cambiando la densidad o bien la geometría (grosor) de la espuma, pero las espumas no pueden adaptar su respuesta a un amplio intervalo de energías de impacto. Esto puede dar lugar a un desequilibrio de la capacidad funcional de la espuma con respecto a la energía de impacto, haciendo que la espuma ser "demasiado blanda" o "demasiado dura" para el impacto. Una espuma que sea demasiado blanda (no lo suficientemente densa) para un impacto se comprimirá demasiado rápido o "llegará al límite" y transmitiría demasiada fuerza al cuerpo impactado. Una espuma que sea demasiado dura (demasiado... [Seguir leyendo]

1. Una estructura protectora (200, 240) para proteger un cuerpo frente a un impacto, que comprende:

una capa interna (201, 244) de material relativamente flexible, teniendo dicha capa interna una pluralidad de aberturas espaciadas entre sí (208, 248) que se extienden entre caras opuestas de la misma,

una pluralidad correspondiente de unidades protectoras (10, 220) , constituyendo cada unidad protectora un recinto plegable estanco al fluido (10, 220) , un volumen de fluido que llena el recinto y al menos un orificio (16, 230) en una 10 pared del recinto que ventila de forma resistiva fluido desde el recinto (10, 220) a una tasa seleccionada en respuesta a un impacto sobre la estructura (200, 240) , estando recibidas dicha pluralidad de unidades protectoras (10, 220) en la pluralidad de aberturas (206, 248) de modo que los correspondientes primeros segmentos (10, 222) de los recintos (10, 220) que se proyectan desde una cara de la capa interna (206, 244) forman juntos una capa media (202, 246) , y las superficies de cooperación (222c, 244) en la capa interna (206, 244) y cada unidad

protectora (10, 220) para retener cada unidad protectora en la abertura correspondiente (206, 248) en la capa interna (206, 244) ;

caracterizada porque el primer segmento del recinto (10, 222) de cada unidad protectora (10, 220) comprende un par de paredes laterales sustancialmente troncocónicas (18, 222b) conectadas en oposición para definir un ángulo obtuso entre ellas (en B, B') , extendiéndose dichas paredes laterales desde la superficie de cooperación (14a, 222c) de esa unidad protectora hasta una pared de extremo (222a) del primer segmento del correspondiente recinto (10, 222) .

2. La estructura protectora definida en la reivindicación 1, en la que dichas superficies de cooperación (222c, 244)

están adaptadas para retener de forma liberable la pluralidad de unidades protectoras (10, 220) en la pluralidad de aberturas (208, 248) .

3. La estructura protectora definida en la reivindicación 1 y que incluye además una capa externa relativamente rígida (204, 242) que se extiende generalmente paralela a la capa interna (206, 244) y que acopla los primeros 30 segmentos (10, 222) de los recintos.

4. La estructura protectora definida en la reivindicación 1, en la que cada unidad protectora (220) también incluye un segundo segmento de recinto (224) que se extiende desde el primer segmento de recinto correspondiente (222) de esa misma unidad protectora (220) , proyectándose dicho segundo segmento de recinto desde la otra cara de la capa interna (244) de modo que los segundos segmentos de recinto (224) de todas las unidades protectoras (220) forman juntos una funda interna conformable (246) de la estructura protectora (240) .

5. La estructura protectora definida en la reivindicación 4, en la que el segundo segmento de recinto (224) de cada unidad protectora es una extensión del primer segmento de recinto (240) de la misma. 40

6. La estructura protectora definida en la reivindicación 1, en la que dicho al menos un orificio (16, 230) también permite una entrada de fluido en dicho recinto (10, 220) para devolver dicho recinto a su configuración no plegada después del impacto.

7. La estructura protectora definida en la reivindicación 4, en la que el segundo segmento de recinto de cada unidad protectora comprende una cápsula de fuelle en comunicación fluida con el primer segmento de recinto correspondiente de esa misma unidad protectora.

8. La estructura protectora definida en la reivindicación 7, en la que la cápsula de fuelle contiene un cuerpo elástico 50 compresible.

9. La estructura protectora de la reivindicación 1, en la que dicho al menos un orificio (230) comprende una válvula de ventilación (230) que tiene un punto de referencia de modo que la válvula se abre sólo cuando la presión en dicho recinto (220) excede una magnitud seleccionada.

10. La estructura protectora de la reivindicación 1, en la que al menos un orificio (230) comprende una primera válvula de ventilación y una válvula de entrada que tienen características de restricción de flujo diferentes de modo que el recinto (220) exhala e inhala a tasas de flujo diferentes.

11. La estructura protectora definida en la reivindicación 1, en la que el primer segmento de recinto (10, 222) de cada unidad protectora (10, 220) tiene paredes laterales (18, 222b) que resisten cediendo en respuesta a una fase inicial de un impacto y se pliega después de dicha fase de impacto inicial para permitir que se gestione el resto del impacto por la ventilación de fluido a través de dicho al menos un orificio (16, 230) de la correspondiente unidad protectora (10, 220) .