Un sistema de casco de fútbol americano que absorbe los golpes que se está desarrollando en la Universidad de Michigan podría mitigar algunas físicas peligrosas que la protección de la cabeza de hoy ignora.
Los investigadores de ingeniería que fabricaron el sistema, llamado Mitigatium, fueron financiados recientemente por un grupo que incluye a la National Football League. Su primer prototipo podría conducir a un casco liviano y asequible que disipe efectivamente la energía de un golpe tras otro en el campo.los cascos no pueden hacer esto, y esa es una de las razones por las que no son muy buenos para prevenir la lesión cerebral.
"Los cascos de fútbol americano de hoy están diseñados para prevenir fracturas de cráneo al reducir la fuerza máxima de un impacto", dijo Ellen Arruda, profesora de ingeniería mecánica e ingeniería biomédica de la UM. "Y hacen un buen trabajo al respecto. Pero no lo hacen".en realidad disipan energía. Dejan eso al cerebro ".
Los deportes como el fútbol presentan grandes desafíos para los diseñadores de equipos protectores para la cabeza. Para disipar la energía, un casco generalmente tiene que deformarse, como la versión de la bicicleta se rompe en una colisión. Y los cascos desechables no son prácticos para los jugadores de fútbol.
Cuando un casco de bicicleta se rompe, absorbe lo que se llama "impulso", un efecto secundario de una fuerza inicial. El impulso, que da impulso a los objetos, es lo que transmite energía cinética a través de un sistema. Tiene en cuenta no solo la fuerza, sinotambién cuánto tiempo se aplicó esa fuerza. Para calcular el impulso, multiplique la fuerza promedio por el tiempo que se ejerció sobre el sujeto.
Para que la protección de la cabeza sea más efectiva contra la velocidad y el peso de los jugadores en un campo de fútbol, estos investigadores dicen que tiene que bloquear el impulso.
No son los primeros en decir esto. Han encontrado estudios médicos de 70 años atrás que culpan al impulso del daño causado por el fútbol, los impactos rápidos. Sin embargo, hoy en día, los fabricantes de cascos y los investigadores de salud tienden a depender de otros factoresPor ejemplo, los nuevos diseños de cascos están aprobados únicamente en función de la fuerza máxima que pueden soportar.
"Todos están enfocados en la fuerza de un impacto y solo en la fuerza", dijo Arruda. "Pero descubrieron que cuando miden la fuerza máxima en la superficie del cráneo, no pueden correlacionar eso con una lesión cerebral".La razón es que la fuerza es solo una parte de la historia ".
Los científicos y los médicos no entienden completamente cómo un golpe en la cabeza se traduce en una lesión cerebral, pero los investigadores de la UM dicen que el impulso es un factor importante. Arruda y sus colegas han demostrado esto.
Han tomado una de las primeras miradas de cerca a las características mecánicas de los impactos y las explosiones y cómo los cascos y otras armaduras podrían diseñarse para hacer un mejor trabajo protegiendo las estructuras sensibles. De lo contrario, construyeron simulacros cruzados bidimensionalessecciones de materiales que representaban el cerebro y el cráneo en varios cascos del casco. Luego usan un simulador de colisión de mesa para analizar las diferentes muestras. Compararon cuánta energía se transmitió a través de la capa tipo cerebro en su propio sistema de casco.y el status quo. Usaron una cámara de alta velocidad para ayudarlos a observar cómo el modelo cerebral se deformaba en ambos sistemas.
"Algunas de las ideas que obtuvimos de este análisis fueron sutilmente diferentes de cómo pensaba la comunidad del casco sobre el diseño, aunque encontramos ejemplos en la literatura médica antigua que eran consistentes con nuestra comprensión", dijo Michael Thouless, profesor de Janine Johnson Weins deIngeniería en ingeniería mecánica y ciencia e ingeniería de materiales.
En sus experimentos, el modelo de casco actual hizo poco para bloquear el impulso. Los investigadores pudieron decir esto por cuánto se distorsionó el patrón moteado en su capa cerebral. El prototipo Mitigatium, sin embargo, redujo el impulso a solo el 20 por ciento de lo que pasóel modelo de cerebro en el casco convencional. Mitigatium redujo la presión máxima al 30 por ciento. Bajó ambos en un orden de magnitud, dijo Arruda.
Así es como funciona: está hecho de tres materiales que equivalen a más que la suma de sus partes. La primera capa es similar al policarbonato duro que es la cubierta de los cascos actuales. La segunda es un plástico flexible.las sustancias reflejan la mayor parte de la onda de choque inicial de una colisión, la mayor parte de la fuerza inicial. También hacen algo más único e importante: convierten la frecuencia de esa onda de presión entrante en una frecuencia que la siguiente capa puede, en esencia, captarmantener y disipar por vibración. Esta tercera capa "viscoelástica" tiene la consistencia de alquitrán seco.
"Hemos desarrollado un concepto totalmente nuevo de cómo hacer estructuras eficientes para mitigar el impacto que puedan disipar energía sin sufrir daños", dijo Thouless. "Y utilizamos conceptos básicos de mecánica para desarrollar una comprensión fundamental de cómoproteger estructuras delicadas como el cerebro ".
A fines del año pasado, el equipo de UM fue uno de los cinco ganadores del Head Health Challenge III, una competencia para apoyar el desarrollo de materiales que absorben o disipan mejor el impacto. Además de la NFL, los patrocinadores son Under Armour, GE y NationalInstituto de Estándares y Tecnología. Los investigadores de la UM recibieron $ 250,000 para llevar su tecnología a la etapa de prototipo completo. El candidato al doctorado Tanaz Rahimzadeh también está contribuyendo a este proyecto.
Los investigadores también señalan que su sistema es extremadamente flexible, ya que se pueden usar diferentes materiales para sintonizar diferentes ondas de presión entrantes. Visualizan su enfoque para tener aplicaciones para el equipo militar y otros equipos de protección, así como para superficies de juegos.
Un artículo sobre algunos de estos hallazgos, titulado "Diseño de armadura para protección contra explosión e impacto", se publica en el Journal of the Mechanics and Physics of Solids. Rahimzadeh es el primer autor.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Michigan . Original escrito por Nicole Casal Moore. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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