PREDIKCE HLOUBKY VNIKU BALISTICKÝCH TĚLES DO BLOKU NÁHRADNÍHO MATERIÁLU BIOLOGICKÝCH TKÁNÍ V BALISTICKÉM EXPERIMENTU

Transkript

1 Ž I L I N S K Á U N I V E R Z I V Ž I L I N E F K U L B E Z P E Č N O S N É H O I N Ž I N I E R S V KRÍZOVÝ MNŽMEN - /15 PREDIKCE HLOUBKY VNIKU BLISICKÝCH ĚLES DO BLOKU NÁHRDNÍHO MERIÁLU BIOLOGICKÝCH KÁNÍ V BLISICKÉM EXPERIMENU PREDICION OF BLLISIC BODIES PENERION DEPH INO LERNIVE MERIL BIOLOGICL ISSUES IN BLLISIC EXPERIMEN SUMMRY: Ludvík JUŘÍČEK 1, Bohumil PLÍHL oprava he paper i dealig with alterative material ubtitutig for a biological tiue i ballitic experimet ued both i our coutry ad i the world. he paper limit to platic characteritic alterative material ad mutual compario to a real tiue repreeted by pork meat. he paper preet a theoretical ad experimetal method which we developed ad deiged for dicoverig phyical ad mechaical propertie of alterative material biological tiue, material reulted i a coheret methodology. KEYWORDS: lterative material, ubtitute, ballitic experimet, platic characteritic, theoretical ad experimetal method, biological tiue, experimetal woud ballitic. ÚVOD V miulých přípěvcích [6] a [7] e autoři zabývali experimetálím ověřeím fyzikálích a mechaických vlatotí áhradích materiálů (NM) biologických tkáí. V uvedeých člácích e autoři omezili a odvozeí matematického modelu NM biologických tkáí platické povahy založeém a korelačí záviloti (h) a jejich vzájemým porováím e kutečou tkáí zatoupeou vepřovým maem. Byla zde předtavea avržeá teoreticko-experimetálí metoda zjišťováí fyzikálích a mechaických vlatotí NM v podobě uceleé metodiky. ato metodika hodoceí NM je založea a reologickém modelu eewtoké kapaliy a umožňuje hodoceí těchto materiálů základími fyzikálími a mechaickými charakteritikami zíkaými z výledků pádových zkoušek realizovaých z růzých pádových výšek [7]. Základí metodou zkoumáí proceů v oblati raivé balitiky malorážových třel, e tala imulace jejich účiků provedeá metodou epřímé idetifikace a fyzikálím modelu. Vedle základích požadavků, kladeých a homogeí fyzikálí model, kterými jou jeho fukčot, materiálová eáročot (cea), reprodukovatelot doažeých výledků a jejich archivace, jou důležité rověž jeho rozměry, celková hmotot a upořádáí. K výrobě zkušebích bloků byly použity áledující ubtituce: mě petrolátu a parafiu v poměru 75/5 % (PP 75/5) [1, 11] a platelía modelovací hmota šedá (PL) [1], % roztok želatiy (Ž-) a vepřové mao (M) [4]. 1 VÝSLEDKY PÁDOVÝCH ZKOUŠEK NÁHRDNÍCH MERIÁLŮ Pádové zkoušky provedeé za účelem zjištěí fyzikálích a mechaických parametrů NM biologické tkáě jme realizovali a dvou typech pádových zařízeí. Subtituce PP 75/5-I byla zkoumáa a prototypu pádového zařízeí, které bylo avržeo a etrojeo a Katedře zbraňových ytémů Vojeké akademie v Brě. Otatí NM (PP 75/5-II, Ž-, PL a M) byly tetováy v laboratoři Katedry mechaiky a čátí trojů a pádovém zařízeí MSLER typ 1 FU 1 [6]. 1 Ludvík JUŘÍČEK, doc. Ig., Ph.D., Útav práva, Vyoká škola regioálího rozvoje,.r.o. Praha, Žalakého 68/54, 16 Praha, tel , ludvik.juricek@gmail.com. Bohumil PLÍHL, prof. Ig., CSc., Katedra zbraí a muice, Uiverzita obray v Brě, Kouicova 65, 61 Bro, tel , .: bohumil.plihal@uob.cz

2 Bloky ubtituce biologické tkáě podrobeé pádovým zkouškám a áledě experimetálímu potřelováí byly vyrobey litím rep. pěchováím do předem připraveých forem [4]. Bloky vyrobeé z teplotě závilých NM (PP 75/5 a PL) byly proto bezprotředě před balitickou zkouškou temperováy po dobu 1 hodi a teplotu 1 C. Čaová expozice experimetálího využití uvedeých NM pro jejich dlouhodobou kladovatelot (ěkolik let) ebyla v tomto případě limitováa. Pouze v případě balitické želatiy (Ž-), která kromě výrazé teplotí záviloti je také áchylá k tvorbě plíí, autoři byli při jejím experimetálím využití začě čaově omezei [, ]. Potřelováí želatiových bloků proto bylo provedeo v co ejkratším čae (do 5 dů) od jejich výroby. považovali za platickou látku ebo kapaliu, jejíž pohyb vyvolaý půobeím vějších il odpovídá pohybu eewtoké kapaliy. Odvozeí výpočtových vztahů pro taoveí fyzikálích a mechaických charakteritik NM vychází z obecé reologické rovice a přijatých základích předpokladů při realizaci pádové zkoušky [1]. Pro porováí zkoumaých NM byly zjištěé fyzikálí a mechaické charakteritiky přepočítáy pro tejou dopadovou eergii zkušebího tru E D = 8,4 J = kot. éto eergii odpovídají referečí hmotot závaží trem m r =,65 kg a referečí pádová výška h r = 1,4 m, které byly použity pro hodoceí NM PP 75/5 a PL. Dopoud používaé zjedodušeé hodoceí vlatotí NM využívá k poouzeí vhodoti daé ubtituce ke třeleckým zkouškám zpravidla jedu geometrickou charakteritiku, kterou je hloubka viku zkušebího tru hmototi m do bloku NM při kotatí pádové výšce tru h [, 9]. Při další teoretické aalýze experimetu jme vyšli z výše uvedeé korelačí záviloti hloubky viku zkušebího tru do bloku NM a pádové výšce (h), při m = kot. Náhradí materiál živé tkáě jme při matematickém modelováí akto zíkaé číelé hodoty fyzikálích a mechaických charakteritik NM uvádí tab. 1 [, 9]. yto je možé využít pro odhad hloubky viku zkušebího tru a malorážové třely do NM při vyšších dopadových rychlotech. Experimetálě zíkaé hloubky viku zkušebího tru a třely do bloku NM avíc umožňují výpočet oučiitele tvaru i dalších malorážových třel při jejich proiku jiými NM. abulka 1. Porováí fyzikálích a mechaických charakteritik NM při tejé dopadové eergii E D = 8,4 J, která odpovídá referečí pádové výšce h r = 1,4 m. NM Char. Rozměr PP 75/5-I PP-75/5-II Ž- PL M kg.m ) m kg 1,987,65,66,65,65 h p m 1,455 1,4 4,8 1,4 1,4 -,674,64,65,866 1,81 m,5,547,6,68,99 h m,5,5,,, - -, , , ,1511,4795 m,175,11,55,176,84 w Pa 45,1 4,685,191 5,94 1,974 w 1-1,997,979 7,1888,69,16 η 1 - Pa 11,48 1,9786 4,4665 1,788 7,675 η Pa,1694,117,1491,414 1,7 1-5 R N 6,8 58,9 51,8 161,14 118,96 Zdroj: (Plíhal, B., JUŘÍČEK, L., 1999)

3 Pozámky: 1) Vyšší hutota u PP 75/5-II vzikla opakovaým přetaveím měi předchozího vzorku PP 75/5-I. Při ohřátí měi dochází k odpařováí rozpouštědel obažeých v původí měi. h p přepočítaá pádová výška [m], w mykové apětí u těy tru [Pa], w rychlot mykové deformace u těy [ -1 ], η dyamická vikozita [Pa.], R tředí odporová íla [N]. ODHD HLOUBKY VNIKU ZKUŠEBNÍHO RNU DO BLOKU NÁHRDNÍHO MERIÁLU PŘI VYŠŠÍCH DOPDOVÝCH RYCHLOSECH Hloubka viku zkušebího tru do bloku NM při pádové zkoušce je podle [, 9] určea vztahem h e h (1) kde: korelačí přepočtový oučiitel [1], h koečá (maximálí) pádová výška [m], h počátečí pádová výška [m], počátečí hloubka viku zkušebího tru v bloku NM [m]. Výraz h/h vyjadřuje podíl poteciálích eergií při tejé hmototi pádového závaží trem o hmototi m puštěého potupě z pádových výšek h a h. Idex tečeí, charakterizující vlatoti látky a její chováí při dyamickém zatížeí, byl polehlivě urče pomocí regreí záviloti h () z pádové zkoušky při počátečích podmíkách h ( ). Při: = 1 - ewtoovo tečeí, < 1 - peudoplatická látka, > 1 - dilatačí ytém. Uvažujme proikáí tru jiou hmototí m K, vyšší dopadovou rychlotí v K, ale tejou geometrií, jakou má zkušebí tr (průměr zkušebího tru d = 6 mm; vrcholový úhel špičky = 6 ). Potom: K kde:, v e mk m v v K () - počátečí hodoty veliči z pádových zkoušek. Problémem iterpretace výledků pádových zkoušek tru a balitická tělea typu malorážová třela je začý rozdíl v dopadové rychloti (maximálě doažitelá dopadová rychlot v max zkušebího tru a pádovém zařízeí je cca 1 m. -1 ). Proto byla platot vztahu () experimetálě ověřea třelbou z kuše (viz obr. 1) a zkušebí vzorky NM PP 75/5 a PL v podobě homogeích bloků..1 Střelba z kuše do bloku měi petrolát-parafí Do zkušebího bloku vyrobeého ze měi PP 75/5 byly potupě vytřeley z kuše tři ráy duralovým šípem ocelovým hrotem (14 HalfMoo) o celkové hmototi m K = 6, g dopadovou rychlotí 4 v K = 46,5 m. -1 a zazameáy hloubky viku šípu K = 18, 19 a 185 mm. Naměřeým hodotám odpovídá tředí hloubka viku šípu do bloku PP 75/5 K = 186 mm [, 9]. Pro výpočet hloubky viku šípu do bloku NM byly použity áledující hodoty charakteritik NM PP 75/5 zjištěých při pádové zkoušce provedeé a prototypu pádového zařízeí a parametrů šípu kuše: = 5 mm; v =,1 m. -1 ; =,674; = -, ; m = 1,987 kg; v K = 46,5 m. -1,m K = 6, 1 - kg. Po doazeí do vztahu (), dotaeme: K e, ,5 mm. 6, 1 46,5 5, 1,987,1,674 Vypočítaá hodota hloubky viku K odpovídá experimetálě zjištěé tředí hloubce viku dotatečou přeotí (chyba je meší ež,5 %). V případě, že < 1 (peudoplatická látka), bude vikozita látky u těy tru (v blízkoti jeho povrchu) meší ež ve vzdáleějších čátech NM. 4 Hodota dopadové rychloti šípu kuše v K je průměrou hodotou ze tří měřeí provedeých a optickém ekotaktím zařízeí pevou bází určeém k měřeí rychloti pohybu balitických těle

4 . Střelba z kuše do bloku platelíy školí Za tejých podmíek byly z kuše potupě vytřeley tři ráy šípem ocelovým hrotem do zkušebího bloku NM vyrobeém z platelíy školí (PL). Platelíový blok po záahu duralového šípu kuše ocelovým hrotem (14 HalfMoo) je vidět a obr.. Pro výpočet hloubky viku bylo použito těchto hodot charakteritik áhradího materiálu PL zjištěých pádovou zkouškou a uiverzálím pádovém zařízeí MSLER a parametrů šípu kuše: = 68 mm; v = 1,98 m. -1 ; =,866; = -151,1 1 - ; m =,65 kg; v K = 46, m. -1 ; m K =6, 1 - kg. Po doazeí těchto hodot do rovice (), obdržíme: K e, mm. 6, 1 46,5 68,,65 1,98,866 Střelbou byly potupě zazameáy hloubky viku K = 8, 75 a 9 mm. Naměřeým hodotám odpovídá tředí hloubka viku šípu do bloku PL K = 81,67 mm. Kvalitativě lze tedy uoudit, že i v tomto případě edošlo k záadímu rozporu mezi hodotami hloubek viku šípu kuše zíkaými experimetálě a aalytickým řešeím. PRONIK MLORÁŽOVÉ SŘELY ZKUŠEBNÍM BLOKEM NÁHRDNÍHO MERIÁLU K přímému potřelováí byly bloky áhradích tkáí, vyrobeých z PP 75/5 upravey do tvaru kvádru o ploše příčého průřezu 5 x 5 cm a délky 4 cm. Hmotot jedotlivých kvádrů doahovala kg. Vzhledem k omezeé délce bylo možé tyto bloky jedotlivě použít pouze pro potřelováí třelivem ízkou dopadovou eergií, popř. vyokou úroví předaé eergie při proiku. Bloky áhradí tkáě, vyrobeé z PL byly vyrobey tejě jako v předchozím případě a liovací oupravě (vakuovém liu), a to ve tvaru omitěého hraolu průměrem opaé kružice mm a délkou cm [, 9]. Pro potřeby balitického experimetu e ytémy tředího a vyokého balitického výkou, bylo třeba vytvořit tademy bloků NM k doažeí potřebé hloubky viku třel, která e u ěkterých typů třeliva blíží hodotě 6 cm. právě v případech balitického zkoumáí účiků malorážových třel výrazou průbojou ložkou, je predikce hloubky viku do bloku NM při vyšších dopadových rychlotech velmi důležitá []. Výzam právého odhadu doahovaé hloubky viku malorážové třely v bloku NM výrazě rote požadavkem a zachyceí celkového třelého kaálu od zkoumaé malorážové třely ve zkušebím bloku. V další čáti uvažujme proikáí NM malorážovou třelou (MRS) o hmototi m a dopadové rychloti v d. Střela e při malých (podzvukových) rychlotech dotýká při proikáí bloku NM áhradí tkáě pouze vou vodící válcovou čátí l, která je výrazě kratší ež délka tykové plochy proikajícího zkušebího tru. Kromě toho je uté uvažovat i jiý tvar předí čáti třely ež má špička tru vrcholovým úhlem čelí kuželové plochy α = 6 a také předpokládat, že e třela při proikáí edeformuje, efragmetuje a při vém potupu NM zaujímá tabilí polohu []. Na rozdíl od proikáí zkušebího tru blokem NM je uté uvažovat: jiou hmotot třely m a její dopadovou rychlot v d, jiou dráhu třeí válcové čáti třely l, jiý průměr třely d (ráži), jiý tvar třely oproti tvaru zkušebího tru, charakterizovaý poměrem jejich tvarových oučiitelů i / i. Za těchto předpokladů byl v [9] odvoze aalytický vztah pro přibližé určeí hloubky viku malorážové třely do bloku NM. Prvím přiblížeím je odvozeí vztahu pro hloubku viku třely o tejě hladkém povrchu a průměru, jako má zkušebí tr d = d a tejém tvaru předí čáti (špičky). Rozdíl lze patřovat pouze v tom, že třeí tru v NM probíhá v průběhu celého jeho viku do bloku a to potupě do hloubky, zatímco u třely je po délce válcové čáti l. Rozdíly při proikáí NM zkušebím trem a malorážovou třelou je patrý z obr.. Práce třeí zkušebího tru vykoaá a dráze, je dáa vztahem (): d w d w d. ()

5 Malorážová třela dopadovou rychlotí v d, výrazě převyšující rychlot zvuku, je při proikáí v kotaktu NM pouze ve vé předí čáti (špičce), kdy přetlak a čele rázové vly edovolí proikaému NM přilout k vodící válcové čáti třely []. Především u třel puškových ogiválím tvarem jejich předí čáti, e velmi čato můžeme etkat růzými formami etability proiku hutým médiem. Vedle popaého účiku rázové vly e při proiku může projevit výrazé vybočeí třely ze tabilí polohy daé čato větším úhlem áběhu třely v okamžiku záahu zkušebího bloku []. ato vybočeí způobují změy tvaru a upořádáí třelého kaálu, který v ěkterých mítech vým radiálím rozměrem výrazě převyšuje průměr pouzovaé třely (viz obr. 4). Proto e účiky třeí třely projeví pouze při malých dopadových rychlotech a to a dráze ( - l ). Pak pro třecí práci malorážové třely platí l. d w [ l ] d w d Pro podíl práce třeí tru a třely platí: ( l ) (4) (5) kde podle rovice () uvažujeme, že m v d e m v (6) Pro odhad hloubky viku třely do bloku NM byl využit vztah (), do ěhož byl zahrut podíl rozdílé práce třeí zkušebího tru a malorážové třely [9]. Potom můžeme pát: e m m v v d ( l ) (7) Použitím rovice (6) můžeme apat, že (8) ( l ) Nahrazeím délky třely l hloubkou viku tru do NM (l = ) přejde rovice (8) a tvar (), rep. (6). Pokud přejdeme ke kutečé MRS ráže d e oučiitelem tvaru i, dotaeme koečý tvar rovice pro přibližé určeí hloubky viku třely do bloku NM ve tvaru ( l ) d d i i (9) kde: i = 1 - oučiitel tvaru zkušebího tru [1], d - průměr tru [m]. Do oučiitele tvaru třely i jou zahruty i rozdíly v hladkoti a povrchové úpravě zkušebího tru a malorážové třely (geometrická podobot). Rovice (6) a také rovice (9) umožňují určit hloubku viku třely do bloku NM při volbě libovolých počátečích podmíek z pádové zkoušky (, v ) [, 9]. Záme-li aopak ze třeleckého experimetu hloubku viku třely do bloku NM, můžeme výpočtem z rovice (9) určit oučiitel tvaru třely i pomocí vztahu d 1 (1) ( l ) d i Orietačě byla platot vztahu (1) ověřea třelbou z malorážky ráže Log Rifle (LR) do zkušebího bloku NM vyrobeého ze měi PP 75/5-I. Charakteritiky třely použitého áboje LR: d = 5,6 mm; l = 8 mm; m =,5 g; v d = 4 m. -1. Z výledků pádových zkoušek (tab. 1) byly využity áledující charakteritiky použitého NM (PP 75/5-I): = -, ; m = 1,987 kg; d = 6 mm; =,5 m; v =,11 m. -1 ; =,

6 Střela proikla do hloubky = 16 mm. Po doazeí do rovice (6) dotaeme:,9471,5 4 e 5, 1,987,11 16,4mm a po doazeí do rovice (1) i 16,4 (16,4 8) ZÁVĚR 6 5,6 1 16,674,5. Z výpočtu hodoty oučiitele tvaru i malorážové třely můžeme předběžě uuzovat a využití vztahu (1) pro určeí oučiitele tvaru i dalších malorážových třel při jejich proikáí jiými áhradími materiály. Se zalotí oučiitele tvaru i malorážové třely pro určitý NM lze použít rovici (9) ve pojeí rovicí (6) k určeí hloubky viku této třely dipoující jiou dopadovou rychlotí v d. Délka vodící čáti třely l je mohokrát meší ež hloubka viku zkušebího tru t (l << ), a proto je možé při výpočtu hodotu l zaedbat. ím dojde k dalšímu zjedodušeí výpočtových vztahů (9) a (1), které tak budou lépe odpovídat fyzikálímu jevu, ke kterému dochází při proiku třel zkušebím blokem vyrobeém z kokrétího NM vyššími dopadovými rychlotmi, ež byly doahováy při pádových zkouškách zkušebím trem [9]. Matematický model určeý pro odhad hloubek viku balitických těle růzého vějšího tvaru a vitřího upořádáí, kotrukce, použitých materiálů k jejich výrobě a termiálě balitických vlatotí, který byl zde předtave, obahuje celou řadu zjedodušeí utých k odvozeí v praxi použitelých aalytických vztahů. Jeho platot byla autory experimetálě potvrzea. Je zcela evidetí rozdíl v odhadu hloubky viku šípu kuše do bloku NM, který byl tvarově uprave tak, aby e vým tvarem a hmototí co ejvíce blížil zkušebímu tru, použitém pro tetováí vlatotí ubtituce biologické tkáě a hloubkou viku reálé malorážové třely do tohoto protředí. V praxi bude uté počítat tím, že e ěkteré třely budou při iterakci cílem eje deformovat, ale jejich těla mohou rověž fragmetovat (rozpad těla třely a třepiy) a tím měit (ižovat) voji fiálí hmotot. V takových případech, kdy e jedá o třely e zvýšeým raivým účikem (třely expazí ebo fragible) je uté toto chováí třely zahrout do změy jejího tvarového oučiitele i, který lze a základě experimetálě zjištěé hloubky viku třely do bloku NM pomocí vztahu (1) přepočítat. Obrazová příloha Zdroj: (Fotoarchív autorů) Obrázek 1. Moderí typ kuše Jadao Chae Wid 15LB

7 Zdroj: (Fotoarchív autorů) Obrázek. Zátřel duralovým šípem ocelovým hrotem délky 14 HalfMoo ve zkušebím bloku vyrobeém z platelíy (PL). Zdroj: (PLÍHL, B., JUŘÍČEK, L., 1999) Obrázek. Průběh proiku balitických těle blokem áhradího materiálu (NM). Zdroj: (PLÍHL, B., JUŘÍČEK, L., 1999) Obrázek 4. Profil třelého kaálu ve zkušebím bloku ze měi PP 75/5 vyvolaý proikem třely SS 19 mikrorážového puškového áboje ráže 5,56 x 45. LIERUR [1] ČERVINK, F., BROŠ, O., OMIS, F. : Studium vlivu základích molekulárích parametrů a reologické vlatoti PVC (Výzkumá zpráva). Gottwaldov, Výzkumý útav gumáreké a platikářké techologie, [] JUŘÍČEK, L. : Simulace a hodoceí účiků malorážových třel a živou ílu. Doktorká diertačí práce, V Bro,,

8 [] JUŘÍČEK, L., KOMEND, J. : Náhradí materiály biologických tkáí pro zkoušky raivé balitiky. IX. Pražký chirurgický de. UK Praha, [4] JUŘÍČEK, L. : Náhradí materiály pro zkoušky raivé balitiky. Střelecká revue č Praha, 1. [5] JUŘÍČEK, L., PLÍHL, B., Komeda, J. : Náhradí materiály biologických tkáí v balitickém experimetu. Sborík V, řada B. Bro,. [6] JUŘÍČEK, L., PLÍHL, B. : Matematický model áhradích materiálů (ubtitucí) v experimetálí raivé balitice. (1. čát). Žilia: ŽUŽ, FŠI, Krízový maažmet. Ročík 1, č. /14, ISSN [7] JUŘÍČEK, L., PLÍHL, B. : Matematický model áhradích materiálů (ubtitucí) v experimetálí raivé balitice. (. čát). Žilia: ŽUŽ, FŠI, Krízový maažmet. Ročík 14, č. 1/15, ISSN [8] PLÍHL, B. : Metody vyšetřováí reologických charakteritik PH. Čát: Hodoceí tokových charakteritik materiálů-vytlačovací platometr. Habilitačí práce, V Bro, [9] PLÍHL, B., JUŘÍČEK, L. : Modelováí áhradího materiálu živé tkáě pro zkoušky raivé balitiky. VÚ VM Slavičí, [1] ČSN 65715: Petrolát. Praha, [11] ČSN 65711: Parafiy. Praha, 196. [1] ČSN 9859: Modelovací hmota školí. Praha,