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[走過中橫外一章]當焦耳遇上安全帽? 淺談工作安全帽的耐衝擊性與防護安全 次要群組 [隨處遇科學::科學五四三] 列印 推薦
作者或來源 zfang 2013-07-18 13:37:47
關鍵字 1位能 2動能 3能量轉換
此文完整連結 http://zfang.zipko.info/812.html
文章歡迎轉載,請尊重版權註明連結來源。
不正常人類人腦智慧研究所
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前言:暑假跟著健行隊走過中橫,這是我的第一次。照理來說應該要寫些感觸滿滿的遊記或心得文,但卻不知該從何寫起。相較滿滿感動與收穫的心得文,科學文比較容易下手……這個部份的內容與相關知識,國三理化教學很快用得上。


小藍帽陪我們走過中橫,因此以這頂”安全帽”來做為此行見聞的第一篇。

天祥到長春祠燕子口有壯觀的峽谷之美,但岩層破碎鬆動常有落石不斷,為了保護遊客頭部,國家公園提供免費的安全帽出借,避免石塊或其它傷害物襲擊遊客。


這是太魯閣國家公園管理處所提供的。

可依所需數目在布洛灣免費借用!


我們中橫健行隊很乖,戴了四天!為了辨識,後方要寫上名字。

 
休息時無意間發現上面有標示,寫著耐衝擊性50焦耳!(也顯示耐用電壓440V以下)
 

『50焦耳?這是什麼?』為什麼是焦耳?愣了一下,又想了一下才恍然大悟…當然是用焦耳!焦耳是能量單位,安全帽的耐衝擊程度以焦耳來計是很適合的。

 

之一  50焦耳有多大?

『50焦耳有多大呢?』感覺很小。
算”理想的”計算題時,500焦耳的數字也常常在題目答案中來來去去,『50?會不會太小了?』
然後,這個焦耳......『是位能還是動能?』其實我有點呆了,若是沒有能量損耗,這二個在能量轉換後是相同的。

(一)如果是動能

    動能的計算公式:E=1/2mv2

         E=能量(焦耳, J)
         m=質量(公斤, Kg)
         v=速度(公尺/秒, m/s)

簡單地用動能來看,這頂安全帽可以約抵抗1公斤重的石塊,以36 Km/h的速度撞擊能量。用速度來看,試著將它具體化。想像這頂安全帽可以阻擋1公斤重石頭以百米賽跑速度衝來,或是阻擋正在散步的100公斤重石塊撞擊(ㄟ~怪怪的@@?)。(3.6 Km/h的速度是緩慢步行,36 Km/h大約是人類跑最快的速度!) 

 

(二)落石是由高處落下,用位能來看看

位能的計算公式:U=mgh

     U=能量(焦耳, J)  
     m=質量(公斤, Kg)
     g=重力加速度
   (≈9.8 m/s2,以10 m/s2來算)
     h=高度(米, m)

這頂安全帽可以約抵抗1公斤重的石塊,自5米的高度落下的衝擊能量;或5公斤重的石塊自1公尺自由落下。落石質量更重或落下高度更高危險性就更大了!沿途看到的落石都不小顆,而且有稜角,所幸走過一切平安。

*******

這種安全帽是工地用安全帽,根據ISO 3873-1977安全標準:『當衝擊能量為50焦耳時,如果安全帽所受到的最大衝擊力超過5000牛頓,或者當衝擊後安全帽破裂時,安全帽就不再具有保護頭部安全。』

也就是說,不是只看衝擊能量。在50焦耳能量的衝擊下,帽殼傳遞至頭型的力量不得超過5000牛頓。用”功”來看,W=FS
  W=功、能量(焦耳, J)    F=力(牛頓, N)    S=位移(米, m)  將W=50,F=5000代入計算,S=0.01,也就是說若要在最大5000牛頓的衝擊力之下,撞擊時帽殼到頭的作用距離不能小於1公分! 

練習做做看
『一般防避高空墜落物的安全帽,它的設計是可以抵禦垂直50焦耳能量的衝擊。假設一個重0.2公斤20公分的鉗子或板手,從一名工友的頭上25米高出跌下。假若這名工友佩戴有合格的安全帽,而板手鉗子的大部分能量都會被安全帽所吸收,請問板手鉗子落下最大速度為多少?此安全帽是否能保護工友避免受傷或減輕了其受傷的程度? 』

參考解答請反白:由位能公式計算U=mgh,頭部承受0.2×9.8×25=49焦耳的能量(g= 9.8 m/s2)。理論上是可以,但若將位能轉換成動能1/2mv2= mgh來計算撞擊時的速度,速度為22 m/s,時速接近80Km/h,好快好可怕~是否安全,還要考慮到最大衝擊力,若是超過5000牛頓就完蛋了!

 

之二  關於安全帽的一些知識

做了點功課,安全帽如何能夠吸收墜落物的能量呢?『主要是透過堅硬的帽殼及帽箍,帽襯,受到衝擊時破裂、撕裂產生的形變分散衝擊力,吸收一部分能量。有些安全帽還會有一層吸震物料,以進一步幫助吸收能量。』

1.帽殼:

保護頭部受衝擊時,避免傷害物直接與頭蓋骨接觸,帽殼材料一般以PE、PC、ABS、FRP 最普遍。FRP 材質在受重物衝、穿擊後,容易發生纖維狀裂痕。PE 的安全帽側向剛性較不理想,但在抗電擊方面的表現較佳。ABS 和FRP 安全帽的側向剛性平均在PE 材質安全帽之上。
在抗燃能力方面,PE 材質的帽殼,自燃時間至少需要40 秒,而ABS 材質的帽殼,自燃時間至少需要一分鐘以上。因此整體看來,以ABS(塑鋼)材質安全帽表現較佳。過份便宜的安全帽,通常採用回收塑膠壓製外型與正品安全帽相同不堪一擊,可以試著用手自側面向內壓,稍加施力就會脆裂。

此外,由於安全帽外殼材料是塑膠,溫度也會影響塑膠材質特性:
a.低溫時較高溫的撞擊測試差,因為低溫時脆性提昇、吸震效果較差所導致;
   而高溫時彈性增加,較能吸收部份的撞擊能量,降低傳遞力。
b.高溫時比低溫時的防穿擊功能普遍不佳,溫昇高,帽殼結構變軟,易被擊穿。

2.戴具與頭帶: 具有吸收與緩衝撞擊物體的衝力,減少撞擊時所受到的傷害。頭帶因直接與頭部接觸,必需舒適。部份安全帽在頭帶與帽殼之間更設有保麗龍襯墊。頭帶具有戴安全帽時的穩固作用,可加防汗帶以吸收頭部的汗水,增加舒適性。頭帶必需方便調整鬆緊,使安全帽緊密地戴在頭上不晃動。
3.頤帶: 頤帶具有固定安全帽在頭部的作用,並有防止帽子受物體撞擊或人員自高處墜落時帽子脫落的功能,並防止受二次撞擊時,因帽子脫落而致使頭部受傷。

*資料主要參考自選購工程安全帽的四個重點 - 拔山企業(它們的資料來源則是:行政院勞委會勞工安全衛生研究所)。

選購工作安全帽,要注意下列要點:

一、耐衝擊性:

一頂好的安全帽能夠保護你的頭部免於遭受飛落物撞擊、墜落時頭部撞擊、感電觸電、酸鹼液體接觸、火焰燒傷等,甚至避免頭髮被機器捲入。安全帽在對抗衝擊時,其各部零件都扮演重要角色,安全帽必需能穩固而舒適地固定在頭上不晃動,才能達到保護效果。
二、愈新愈好: 出廠過久的安全帽,在自然存放的情況下,材料會自然老化及脆化,耐衝擊性能逐漸降低,因此購買安全帽要慎選商家,不要買到陳年貨。一般安全帽的使用壽命, 會因使用場所的環境、溫度、與化學物品之接觸、太陽直接照射等有關,一般而言,若在上述場所正常使用狀況下,應以二年為更換期限,若不考慮上述之使用因 素,一般最多以不超過五年為原則,5年以上的安全帽一定要換新。
三、穿戴舒適: 品質不佳的安全帽,配戴時發生晃動及容易鬆脫等問題,導致不舒適感,是工人不願意戴的主要原因。如果擔心炎熱的問題,可以選購具備通氣孔的安全帽,但是具通氣孔的安全帽不可用於感電的場所。切勿自行在安全帽上鑽洞或變造安全帽的結構。
四、認證合格: 國產合格的安全帽必需有CNS檢測標識,或貼有商檢局檢測的標籤。進口產品,通常有歐洲標準委員會(CEN)檢測合格,並標識有CE認證字樣。這些認證是購買安全帽時最基本的考量,有了這些公正的機構為使用者把關,安全帽產品通過檢測與認證,才具備應有的防護能力。

工業用安全帽保護性最低,只提供最實用的安全保護,例如螺絲、釘子等小物件由高空墮下擊中,安全帽絕對夠安全。香港科技大學早前對安全帽進行測試(餐腦資料4):根據國際 ISO3873-1977安全標準,衝擊測試利用5公斤的鐵錘在1米高掉下,擊中安全帽,產生約50焦耳的衝擊,沒有出現裂紋或應力發白則屬合格。

單車機車用甚至是賽車用的安全帽(頭盔)有更高的安全標準安全帽的CPSC標準測試(參考資料3):
1.測試員會把頭盔懸掛在2米高位置,再將之垂直掉下,以每小時22.5公里的速度擊中地上的平面鋼砧,產生大約108焦耳能量。
2.又或在1.2米掉下頭盔,以每小時17.7公里速度擊向圓拱形的鋼砧,然後量度衝擊力,瞬間衝擊腦部的衝擊力大於300G,就會構成損傷,所以 CPSC標準低於300G為合格。 (300G的衝擊力有多大?)

至於軍用頭盔用來擋子彈,標準應該要更高吧!

 

參考資料與延伸閱讀:
1. 選購工程安全帽的四個重點 - 拔山企業(資料來源:行政院勞委會勞工安全衛生研究所)
2.安全帽防護的相關報導:識界:戴電單車頭盔 頂住高空襲物 - 20091231 - 蘋果日報
3.應該要知道的安全帽知識:安全,是回家唯一的路~ 訪SOL安全帽廠 - 安全騎乘及人身部品實驗室 小老婆汽機車資訊網
4.安全帽防護:www.oshc.org.hk/download/research/20/0/c_hard_hats.doc

 

END
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