Cinétique d'impact du casque et déformations induites sur la doublure de protection : (a) Un impact qui agit à travers le centre de gravité du système tête-casque provoquant une accélération linéaire pure, (b) Un impact qui s'éloigne du centre de gravité du système tête-casque provoquant à la fois des accélérations linéaires et rotationnelles autour du centre de gravité, (c) La doublure du casque est soumise simultanément à des contraintes de compression et de cisaillement. Crédit: Mécanique expérimentale (2023). DOI : 10.1007/s11340-023-01013-1
Des chutes aux tacles de football, la plupart des coups à la tête se produisent sous des angles étranges. Et ces impacts déclenchent des mouvements de tête linéaires et rotatifs simultanés. Le mouvement de rotation en particulier provoque des contraintes de cisaillement, particulièrement dommageables pour le cerveau.
Un nouveau matériau en mousse légère pourrait soulager le cerveau de la majeure partie, voire de la totalité, de cette tension.
Développé par les ingénieurs de l'Université du Wisconsin à Madison, le nouveau matériau, une mousse de nanotubes de carbone alignés verticalement, peut dissiper une énorme quantité d'énergie cinétique de rotation lors d'un impact. Et en tant que matériau de doublure de casque, il pourrait atténuer, voire prévenir, les lésions cérébrales traumatiques en affaiblissant l’énergie cinétique de rotation avant qu’elle n’atteigne le cerveau.
En fait, le nouveau matériau absorbe 30 fois mieux les contraintes de cisaillement que la mousse actuellement utilisée dans les doublures des casques de combat militaires américains. L'équipe a décrit le matériau et ses propriétés uniques dans un article publié le 7 décembre 2023 dans la revue Mécanique expérimentale.
“Ce matériau est très prometteur pour permettre la création de nouveaux casques considérablement plus efficaces pour prévenir les commotions cérébrales”, déclare Ramathasan Thevamaran, professeur adjoint de génie mécanique à l'UW-Madison qui a dirigé la recherche.
doctorat L'étudiant Bhanugoban Maheswaran teste les mousses de nanotubes de carbone alignées verticalement dans le laboratoire du professeur adjoint Ramathasan Thevamaran. Crédit : Photo de Joel Hallberg
Pourquoi ça marche
Actuellement, certains casques tentent de réduire le mouvement de rotation dû aux impacts en employant une couche qui permet un mouvement de glissement entre la tête du porteur et la coque extérieure du casque. Cependant, Thevamaran affirme que ces couches en mouvement ne dissipent pas l'énergie due aux contraintes de cisaillement ; Pire encore, ils ont tendance à se coincer lorsqu'ils sont fortement comprimés, c'est-à-dire suite à un coup.
Puisqu’il ne repose pas sur des couches coulissantes, le nouveau matériau évite ces inconvénients.
Mieux encore, lorsqu'il est comprimé, le matériau s'adapte particulièrement mieux au cisaillement et dissipe l'énergie d'un impact, explique Thevamaran.
Cette avancée s'appuie sur ses recherches antérieures sur les mousses de nanotubes de carbone alignés verticalement, dans lesquelles son équipe a démontré les extraordinaires capacités d'absorption des chocs du matériau. Le matériau est constitué de nanotubes de carbone – des cylindres de carbone d’un seul atome d’épaisseur dans chaque couche – soigneusement disposés en structures cylindriques serrées. L'architecture nouvelle du matériau, qui présente des caractéristiques structurelles uniques sur plusieurs échelles de longueur, confère au matériau ses propriétés exceptionnelles.
En outre, les chercheurs ont récemment démontré que leurs mousses de nanotubes de carbone alignées verticalement présentaient une conductivité thermique et une diffusivité exceptionnelles, ce qui permettrait à une doublure de casque constituée de ce matériau de garder la tête de l'utilisateur au frais dans des environnements chauds.
Associée à sa finesse, cette capacité de refroidissement place le nouveau matériau au même niveau que les mousses de graphite et le rend attrayant pour les applications où un poids moindre est important. Au-delà des doublures de casque, le matériau pourrait également être utilisé dans les emballages électroniques et les systèmes électroniques pour protéger contre les chocs et garder les appareils électroniques au frais.
Plus d'information:
B. Maheswaran et al, Atténuer les impacts obliques en démêlant les nanotubes de carbone bouclés dans les doublures de casque, Mécanique expérimentale (2023). DOI : 10.1007/s11340-023-01013-1
Fourni par l'Université du Wisconsin-Madison
Citation: Dans le but de prévenir les traumatismes crâniens débilitants, un nouveau matériau en mousse atteint le sommet (27 décembre 2023) récupéré le 27 décembre 2023 sur
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