Несмотря на всю пользу спорта для тела и духа, экстремальные дисциплины вроде футбола или роллер-дерби таят в себе повышенные риски. Исследование 2019 года показало: из 498 спортсменов минимум одну травму за год получили больше 40%.

В профессиональном крикете статистика еще тревожнее — травмируются около 70% игроков. Причем примерно 13% всех повреждений приходится на голову, шею и лицо. Эти цифры ясно говорят: защитным шлемам нужна модернизация.

Ученые из Чунцинского университета Цзяотун и местной седьмой средней школы решили выяснить, какой материал для шлема справляется с ударами лучше. Результаты их работы опубликованы в журнале AIP Advances.

Выбирая материал для защиты, инженеры смотрят на множество факторов: он должен быть не только прочным, но и легким, и доступным по цене. Чаще всего выбор падает на разные виды пластиков и полимеров.

Они не только легкие, но и отлично гасят энергию удара, — поясняет автор работы Тао Ван.

Исследователи смоделировали на компьютере три варианта шлемов: из прочного пластика АБС, из сплава со стекловолокном и из алюминиевого композита. Они создали точные цифровые копии и самого шлема, и черепной коробки, чтобы отследить, как ударная волна и напряжение распространяются и по каске, и по мозговой ткани.

Компьютерное моделирование (вычислительное моделирование) — это метод, при котором ученые создают не реальный физический объект (например, шлем), а его точную цифровую копию-модель в специальной программе. Затем на эту виртуальную модель они воздействуют так же, как и в реальности (например, имитируют удар мячом), и программа просчитывает все последствия: деформацию, распределение нагрузки, тепловые эффекты. Это позволяет провести тысячи экспериментов за дни и без затрат на материалы и дорогое лабораторное оборудование, просто меняя параметры в компьютере.

Работа дала ценные подсказки для дизайнеров:

• Для любителей и тренировок вполне хватит и шлема из АБС-пластика.
• Для профессионалов, которые рискуют больше, лучше подойдут шлемы из стекловолокна или алюминиевых сплавов.

У каждого из этих материалов свои сильные стороны. Стекловолокно более хрупкое, чем алюминий, зато оно распределяет нагрузку по всей своей поверхности равномернее, что может снизить опасное давление на череп.

Крикет — один из самых популярных видов спорта в мире, где твердый мяч летит от боулера к бэтсмену на огромной скорости. Хотя выводы исследования полезны для всех экстремальных видов, Ван подчеркивает: не бывает универсального шлема. Его свойства нужно подбирать под конкретную задачу. Эффект удара зависит от множества факторов: силы притяжения, рикошета и других.

Каждый вид спорта нужно изучать отдельно, ведь условия нагрузки в них радикально отличаются, — говорит ученый.

Реальная польза этой работы — в создании методологии. Они не просто испытали три материала, а построили точную компьютерную модель, которая позволяет тестировать виртуально бесчисленное количество вариантов дизайна, материалов и сценариев удара. Это на порядок ускоряет и удешевляет процесс разработки.

В перспективе это может привести к появлению не просто «более прочных», а персонализированных шлемов — например, для игроков разного ампула или с учетом индивидуальных анатомических особенностей. Это прямой путь к снижению количества серьезных черепно-мозговых травм и сотрясений в спорте.

Основное замечание касается уровня детализации модели. В тексте упоминается моделирование «черепной структуры» и „мозговой ткани“, но не раскрывается, насколько эта модель биомеханически точна. Мозг — это не однородная желеобразная масса; он состоит из серого и белого вещества, желудочков, оболочек, которые по-разному реагируют на удар и вибрацию. Без валидации (проверки) такой компьютерной модели на реальных биологических данных или эталонных экспериментах ее прогностическая способность может быть ограничена. Иными словами, модель хорошо показывает, какой шлем лучше поглощает энергию, но может неточно предсказывать, какие именно области мозга пострадают и насколько серьезно.

Ранее ученые переизобрели велошлем.