科学与自行车在一个新的头盔设计中相遇

当我们最近对自行车技术的发展做了一个概述时,几乎没有提到头盔。几十年来,它们都是由同样的材料制成的,而在那段时间里,他们所看到的唯一改进就是更有效的通风布局。但这篇文章的发表时机却很有利,因为几个月后,崔克与我联系,让我知道这是多年来头盔技术的首次重大变革。

通常,像这样的邮件只不过是营销,或者失败了,一切都是专有的,不能谈论。但在这个案例中,崔克承诺,有同行评审的科学背后的公告,我将有机会与科学家自己交谈。几个星期后,我有机会检查头盔和会见科学家(尽管我差点错过了和自行车传奇人物Jens Voigt握手的机会)。

头盔到底有什么用?

显而易见的答案是,当你的大脑受到撞击时,头盔是用来保护你的大脑的。但更详细的答案需要深入一点的物理学。在一个简单的层面上,撞击产生的力量,如果没有保护你的东西,直接被翻译到你的头骨。头盔的作用就是驱散这种力量。如果头盔可以任意大或重,这将不会是一个问题。但是,骑自行车的人对他们的设备的重量和空气动力学非常挑剔,这意味着头盔必须在尽可能小的空间里使用轻型材料来改变所有的力的方向。

由于这一限制,头盔制造商已经决定采用膨胀聚苯乙烯泡沫(eps),这种材料与一次性冰箱使用的材料相同。在我看来,eps被描述为包裹在更分散的网状结构中的一堆聚苯乙烯泡沫。在撞击时,这些气泡会破裂,扩散一些力,而网格可以让这些气泡彼此滑动,扩散更多的力。它简单有效的直接影响。

根据崔克的头盔产品经理四月胡子的说法,专注于橄榄球头盔的研究开始表明eps是不够的。在那里的研究表明,许多撞击并没有产生一种能够很好地对抗的直线力,相反,有许多扭转和离轴的力。虽然这些并不一定转化为对头骨的损害,但它们可能给大脑下部带来压力,因为不同的部位受到不同的力量。这可能导致神经轴突断裂,从而导致神经细胞之间的连接,干扰记忆和其他认知功能。消除这些失衡的力量是一个更大的挑战。

胡德说,其中一个想法是为头盔提供内部衬垫,以便在撞击时滑动,并处理一些离轴力(一种称为mips的系统)。但后来,一位工程师在崔克发现了一家叫wavecel的公司的论文,它似乎提供了一个更好的选择。

材料与科学

韦韦塞尔是骨科医生Steve Madey和生物医学工程师Michael Bottlang的产品。两人一直在研究与医疗问题和防护装备有关的各种想法,部分资金来自联邦拨款。当考虑一种重量轻的材料可以均匀地分配力量的想法时,Bottlang告诉ars,他们首先关注的是蜂巢图案。但是他们发现它实际上太坚固了——蜂巢在施加了大量的力之后才会倒塌,然后突然就会失灵。

他们最终开发的设计有一个形状,当施加力时几乎可以立即弯曲。“它立刻开始滑行,”Bottlang说。制造技术创造了一个明确的失败点,一旦超过一定的力,就可以进行更广泛的弯曲,部分结构将会折叠而不是经历完全的失败。然后,一旦折叠,它所组成的聚合物将允许相邻的细胞彼此滑行。即使在结构倒塌之后,这也提供了一些阻力。

(有一件事,徒步旅行保持专利是聚合物材料的身份。)

对于头盔,这种材料的一个补丁被连接到更传统的eps头盔的内部,这提供了冲击抵抗。但是波浪网可以在头盔内漂浮,可以吸收许多离轴撞击的力量。在头盔停留在头部的地方(也存在于更传统的头盔中),可以缓冲头盔的薄条柔软的材料直接附着在波浪网上。

它看起来比现在更不舒服。骨科医生Madey说,他们已经做了一些测试,表明即使直接放在皮肤上,波浪网也不会在大多数冲击作用下损伤皮肤。

他们的新头盔是怎么工作的?根据Bottlang和Madey撰写的一篇论文,与普通头盔相比,头盔(包括材料)的旋转加速度降低了73%。一个普通头盔(mips)内的滑垫只会降低22%的加速度,这似乎是一个很大的差别。

但感觉如何?

通过其附属公司Bontrager公司,trek正在推出一种头盔,这种头盔将为休闲公路乘客、通勤者、山地骑自行车者和严肃的公路乘客提供专用材料。我们得到了一个道路头盔测试,并设法得到了四个短途骑与它。春天的到来为我提供了从轻快干燥的空气到温暖潮湿的天气的各种条件;管理乘坐的热量对我来说医疗新闻非常专业是一个主要的问题,所以我很好奇,与最近从竞争对手那里购买的头盔相比,“徒步旅行”的头盔是怎样的。

trew的销售策略是,与现有头盔相比,头盔在不代表妥协的情况下要安全得多。(只有时间和详细的事故核算才能告诉我们这是否属实。)新头盔的重量确实略高于全泡沫头盔,但在一次乘坐过程中,这一点并不明显。

戴头盔是个人喜好的问题。trew的产品提供了一种通常的方法来保持物品的位置:下巴皮带和一个可调节的后护圈,包裹在靠近颈部的头骨底部。trew版本的下巴背带包括磁铁,一旦你习惯了它,它就能很好地工作,但是把下巴背带按到合适的位置对我来说从来不是一个主要的摩擦点。trew的后部调整是通过拉细的电缆来实现的,而不是我现在头盔上的全塑料带子系统;我没有注意到有什么实际的区别。头盔里面的软垫放在你的头上是舒适的,但是在徒步旅行头盔上的软垫似乎并不能有效的从我的眼睛里吸走汗水。

总的来说,像传统头盔一样的部分继续这样做;波浪式插入的存在没有任何区别。

气流

空气的流动才是最重要的。如上所述,eps是作为绝缘体使用的,很容易导致你在艰苦的乘坐或温暖的日子过热。大多数头盔都是通过通风口来控制空气通过头盔与头部接触。波浪式插入物提供了一点折衷:它可以使绝缘材料远离你的头部,但也可以防止空气穿过它。

这种权衡在实践中是如何发挥作用的?在大多数情况下,这是确定的。我发现我可以调整我的头,这样我就可以在上面得到一阵凉爽的空气,尽管这样做需要要么骑相当直立或盯着我的前轮胎。除此之外,空气流动的缺乏是值得注意的,但它不觉得像头盔默认是相当热,因为我的更传统的。我是否也会在八月的一次骑马旅行后说同样的话,还得等几个月。

总的来说,韦韦塞尔的宣布是一个惊喜。它汇集了许多科学领域——材料科学和工程、神经科学和流行病学——给人留下了深刻的印象,它产生了一种可能对人们的生活产生实际影响的产品。有多大的差异,如果有的话,将不得不等到足够多的人使用头盔,我们得到一些事故统计。但在此期间,它被整合到一个固体产品的方式是相当不引人注目的。

当我讨论mips技术时,这个故事被更新以澄清,因为有相当多的读者意识到了这一点。