Aufprall (Mechanik)

In der Mechanik bezeichnet man einen Aufprall , wenn zwei Körper zusammenstoßen . Bei diesem Zusammenstoß werden beide Körper abgebremst. Die Abbremsung verursacht eine hohe Kraft oder einen Stoß , der über einen kurzen Zeitraum wirkt. Eine hohe Kraft, die über einen kurzen Zeitraum wirkt, verursacht in der Regel mehr Schaden an beiden Körpern als eine geringere Kraft, die über einen proportional längeren Zeitraum wirkt.

Bei normalen Geschwindigkeiten verformt sich ein von einem Projektil getroffener Körper während eines vollkommen unelastischen Stoßes . Diese Verformung absorbiert den größten Teil oder die gesamte Stoßkraft. Aus Sicht der Energieerhaltung wird die kinetische Energie des Projektils infolge der im getroffenen Körper hervorgerufenen Verformungen und Schwingungen in Wärme- und Schallenergie umgewandelt. Diese Verformungen und Schwingungen können jedoch nicht instantan auftreten. Ein Hochgeschwindigkeitsstoß (ein Aufprall) bietet nicht genügend Zeit für diese Verformungen und Schwingungen. Daher verhält sich das getroffene Material, als wäre es spröder als es wäre, und der größte Teil der einwirkenden Kraft führt zum Bruch des Materials. Anders ausgedrückt: Materialien sind auf kurzen Zeitskalen tatsächlich spröder als auf langen: Dies hängt mit der Zeit-Temperatur-Superposition zusammen . Die Stoßfestigkeit nimmt mit zunehmendem Elastizitätsmodul ab , was bedeutet, dass steifere Materialien eine geringere Stoßfestigkeit aufweisen. Elastische Materialien besitzen eine höhere Stoßfestigkeit.

Unterschiedliche Werkstoffe verhalten sich bei einem Aufprall im Vergleich zu statischer Belastung sehr unterschiedlich. Duktile Werkstoffe wie Stahl neigen bei hohen Belastungsgeschwindigkeiten dazu, spröder zu werden, und es kann auf der dem Aufprall abgewandten Seite zu Abplatzungen kommen, wenn kein Eindringen erfolgt. Die Verteilung der kinetischen Energie im Querschnitt ist ebenfalls entscheidend für das Verhalten des Werkstoffs. Projektile üben am Aufprallpunkt eine Hertzsche Kontaktspannung auf einen Festkörper aus, wobei unter dem Aufprallpunkt Druckspannungen und in geringer Entfernung Biegespannungen auftreten. Da die meisten Werkstoffe eine geringere Zug- als Druckfestigkeit aufweisen , bilden und vergrößern sich in dieser Zone bevorzugt Risse.

Ein Nagel wird mit einer Reihe von Hammerschlägen eingeschlagen . Diese schnellen Schläge überwinden die Haftreibung zwischen Nagel und Untergrund. Ein Rammgerät erzielt dasselbe Ergebnis, allerdings in viel größerem Maßstab. Dieses Verfahren wird häufig im Tiefbau zur Herstellung von Gebäude- und Brückenfundamenten eingesetzt. Ein Schlagschrauber ist ein Gerät, das Schrauben durch Drehmomentstöße anzieht oder löst. Bei normalen Geschwindigkeiten würden die auf die Schraube wirkenden Kräfte durch Reibung auf das Gewinde verteilt. Bei hohen Schlaggeschwindigkeiten wirken die Kräfte jedoch direkt auf die Schraube und bewegen sie, bevor sie sich verteilen können. In der Ballistik nutzen Geschosse Aufprallkräfte, um Oberflächen zu durchdringen, die sonst erheblichen Kräften widerstehen könnten. Eine Gummiplatte beispielsweise verhält sich bei typischen Geschossgeschwindigkeiten eher wie Glas. Das heißt, sie bricht und dehnt sich nicht aus und vibriert nicht.

Das Anwendungsgebiet der Stoßtheorie reicht von der Optimierung der Materialverarbeitung, Stoßprüfungen und der Dynamik granularer Medien bis hin zu medizinischen Anwendungen im Bereich der Biomechanik des menschlichen Körpers, insbesondere der Hüft- und Kniegelenke. ^{[ 1 ]} Darüber hinaus findet sie breite Anwendung in der Automobil- und Rüstungsindustrie. ^{[ 2 ]}

Verkehrsunfälle entstehen üblicherweise durch Aufprallkräfte, beispielsweise wenn ein Auto gegen einen Verkehrspoller, einen Hydranten oder einen Baum prallt . Der Schaden beschränkt sich dabei auf die Aufprallzone. Bei einer Fahrzeugkollision steigt der Schaden mit der Relativgeschwindigkeit der Fahrzeuge, und zwar quadratisch, da die kinetische Aufprallenergie (1/2 mv² ⁾ die entscheidende Größe ist. Um Verletzungen zu minimieren, werden große Anstrengungen in die Fahrzeugkonstruktion investiert, um die Aufprallfestigkeit von Autos zu verbessern. Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden, beispielsweise durch die Einkapselung von Fahrer und Passagieren in einer Sicherheitszelle. Die Zelle ist so verstärkt, dass sie auch bei Hochgeschwindigkeitsunfällen standhält und die Insassen schützt. Teile der Karosserie außerhalb der Zelle sind so konstruiert, dass sie sich progressiv verformen und so den Großteil der beim Aufprall freigesetzten kinetischen Energie absorbieren.

Zur Beurteilung der Auswirkungen hoher Belastungen auf Produkte und Standardplatten aus Werkstoffen werden verschiedene Schlagversuche eingesetzt. Der Charpy- und der Izod-Test sind zwei Beispiele für standardisierte Prüfverfahren, die häufig zur Werkstoffprüfung verwendet werden. Fallversuche mit Kugeln oder Projektilen dienen der Beurteilung der Auswirkungen von Produktbeanspruchungen.

Die Columbia- Katastrophe wurde durch den Aufprall eines Polyurethanschaumteils verursacht, das auf den aus Kohlefaserverbundwerkstoff gefertigten Flügel des Space Shuttles traf . Obwohl vor der Katastrophe Tests durchgeführt worden waren, waren die Testteile wesentlich kleiner als das Teil, das sich von der Trägerrakete löste und den ungeschützten Flügel traf.

Beim Versand zerbrechlicher Gegenstände können Stöße und Stürze zu Produktschäden führen. Schutzverpackungen und Polstermaterialien tragen dazu bei, die maximale Beschleunigung zu reduzieren, indem sie die Dauer des Stoßes oder Aufpralls verlängern. ^{[ 3 ]}