Vårt testlaboratorium

Mips laboratorium för hjälmtester ligger nära Stockholm och har utvecklats kontinuerligt under mer än 20 år. Det är ett modernt, 300 kvadratmeter stort komplex med fyra testmaskiner och toppmoderna verktyg som utformats för att efterlikna verkliga islagsscenarion. Det ger oss full kontroll över de parametrar vi mäter. 

Science & technology

Testlaboratorium

Vad är det vi mäter?

Mips mäter accelerationer över tid med 6 df (frihetsgrader). Frihetsgrader syftar på den rörelsefrihet en stel kropp har i en tredimensionell rymd. Lite förenklat kan man säga att frihetsgraderna visar de sätt som föremål kan röra sig på i rummet.

Varje hjälm testas i tre olika områden: frontalt, lateralt och i vinkel. Studier har visat att den stora majoriteten islag som inträffar vid olyckor inom cykling, motorcykelåkning, ridning och andra sporter sker i vinkel. Därför utför vi alla hjälmtester med en vinkel på 45 grader. Det viktigaste av allt är att ha kontroll över huvudets och hjälmens utgångsposition under det vertikala fallet mot underlaget.

Så går testet till

Det tog 20 år att utveckla en komplett testmiljö för Mips – ändå arbetar vi hela tiden med förbättringar. Vår första testmaskin byggdes 1997 och har vidareutvecklats till den maskin vi använder i dag. Våra egna testmetoder har tagits fram för att efterlikna verkliga olyckor. En analys av cykelolyckor har t.ex. visat att islagen oftast sker i en hastighet av 6,0–6,5 m/s och i 45 graders vinkel. Därför testar vi hjälmarna i 6,2 m/s med en liknande islagsvinkel.

Som ersättning för ett riktigt huvud använder vi det experimentella systemet Hybrid III. Inuti det huvudformade systemet finns en uppsättning accelerometrar som mäter accelerationen över tid med 6 df (frihetsgrader). Alla hjälmar testas på tre olika islagspunkter för att kontrollera att Mips skyddssystem fungerar runt alla de tre anatomiska axlarna (x, y och z). Vi testar samma hjälmmodell med och utan Mips skyddssystem samt i alla tillgängliga storlekar.

Därefter analyseras alla islagsdata. De här noggranna testerna genomförs för att se om den version av skyddssystemet som sitter i varje enskild hjälmmodell kan godkännas enligt Mips standarder.

Testutrustning

När vi genomförde vårt första test 1996 använde vi en pendel som fick träffa en sfär, som var tänkt att motsvara hjälmen (se figur A). Det var en kraftigt förenklad design, men visade ändå att Mips skyddssystem kunde minska de krafter eller vridmoment som påverkade huvudet.

A: Testutrustning med pendel för mätning av vridmoment.

B/C: Flyttbar platta som kan accelereras med hjälp av en tryckluftscylinder.

D: Hjälmförsett modellhuvud som släpps mot en yta med 45 graders vinkel. I test B–D är modellhuvudet utrustat med ett system bestående av nio accelerometrar [1, 2].

Fall mot en rörlig yta

Det finns en mängd publikationer som i detalj beskriver mätning av energiupptaget vid sneda islag där hjälmen utsätts för stora krafter. I en del studier har hjälmarna släppts mot ett snurrande hjul av betong. Andra har använt metoder där modellhuvudet släppts mot en stålplatta som glider iväg för att skapa ett snett islag. En studie från 2008 beskriver en metod där man använde halsen från en HIII krocktestdocka och hade möjlighet att mäta hur stor kraft plattan utsattes för.

Fall mot en lutande yta

Ett annat sätt att testa sneda islag är att släppa hjälmarna mot en lutande yta.

Den största skillnaden mellan ett islag mot en rörlig platta och en lutande yta är gravitationsvektorns förhållande till normalkraftsvektorn mot hjälmen. Den här skillnaden skulle kunna ge olika resultat för de båda metoderna, till och med när man testar identiska hjälmar med samma hastighet och islagsvinkel. Den rörliga plattan skulle därför kunna vara ett mer realistiskt val vid simulering av ett fall mot marken från en cykel eller häst. Samtidigt är metoden med rörlig platta mer komplex, vilket är en nackdel jämfört med den lutande ytan. Det kan också vara svårt att få plattan att hålla en konstant hastighet under islaget.

Linjärt islag

En tredje möjlig testmetod, där ett linjärt islag görs med hjälp av tryckluft, togs först fram av kanadensiska Biokinetics. Här är den linjära slagmekanismen försedd med en böjd plastyta som fästs vid en skiva vinylnitrilskum för att efterlikna en krock mellan två hjälmar (metoden är framtagen för att testa hjälmar för amerikansk fotboll eller ishockey).

I testet har modellhuvudet fästs vid en HIII-dockas hals, som i sin tur fästs på en släde som rör sig horisontellt. Testmetoden pekar ut de olika islagspunkter på hjälmen som leder till en påverkan på dockhuvudets tyngdpunkt.

Vilken testmetod är lämpligast?

Mips använder metoden med ett vertikalt fall mot en lutande islagsyta, eftersom den är både enkel och tålig.

Varför använder vi inte en hals i våra tester?

I dag använder vi oss av två olika testmetoder: en där huvudet får falla fritt mot islagsytan (europeisk standard) och en där huvudet är fäst vid en arm som i sin tur sitter fast vid en skena (USA-standard). På en skala över olika testmetoder kan de här två sägas motsvara varsin ytterlighet. Någonstans i mitten finns normalsituationen, där huvudets rörelser begränsas av halsen.

I stället för att utforma ett test utan hals skulle man kunna fästa en experimentell hals (t.ex. HIII) vid den vertikala släden i USA-standardens testutrustning. Men vid utformningen av en testmetod med snett islag behöver man undersöka om halsen kommer att påverka de vinkelaccelerationer och translationella accelerationer som uppmäts i modellhuvudet. Det är tydligt att halsen begränsar huvudets rörelser och att huvudet vid något tillfälle kommer att rotera runt en punkt i halsen, eller ända nere i bröstkorgen.

Tidigare studier har visat att halsen påverkar vinkelaccelerationens amplitud. Hjälmförsedda Hybrid III-krockdockor av helkroppsmodell släpptes mot en lutande yta och jämfördes med fritt fallande hjälmförsedda huvudmodeller. Resultaten visade 20 % skillnad i vinkelaccelerationens amplitud.

Studier med och utan hals

I en numerisk studie från 2001 fick en krock mellan två hjälmar simulera olyckor inom amerikansk fotboll. Man jämförde islag med och utan hals och kom fram till att halsen verkligen ändrar vinkelaccelerationens egenskaper. Samtidigt låg islagen i studien nära ett radialt islag mot hjälmen, där halsen är den enda anledningen till att huvudet roterar. Med andra ord hade islaget liten eller ingen tangentiell beståndsdel.

En studie från 2012 visade att vinkelaccelerationsdelen kunde skilja sig åt med så mycket som 40 procent då hjälmislag med helkroppsdocka jämfördes med motsvarande med huvudmodell. Forskarna använde en THUMS (Total Human Model for Safety) för att simulera ett snett islag i hjälmens laterala del (vid tinningen). De föreslog att huvudets tröghetsegenskaper ändras för att kompensera för hals och kropp om det bara är huvudet som används vid sneda islagstest.

En annan studie, denna från 2009, använde MADYMO-modeller av människokroppen för att återskapa 12 jockeyolyckor. Två av olyckorna studerades i detalj genom simulering av hjälmens islag i kapplöpningsbanan, med och utan kropp. När helkroppssimuleringen jämfördes med simuleringen med bara huvud visade sig vinkelaccelerationen vara större. Forskarna nämnde att avsaknaden av hals och kropp kan få accelerationens riktning att ändras. Studien drog slutsatsen att MADYMO-modellen av människans kropp ger en orealistisk bild av ryggradens flexibilitet, vilket skulle kunna förklara den skillnaden.

Slutsatser

En slutsats som kan dras av detta är att halsen i allmänhet påverkar hur huvudet rör sig. Det kan också hävdas att det går att definiera en testmetod med islagsvinklar som gör att halsens påverkan blir liten under den korta tid (5–10 millisekunder) som hjälmen är i kontakt med islagsytan.

Experimentella tester på döda människokroppar har visat att halsens övre del är flexibel och kan ses som frikopplad från huvudet under vissa delar av dess förskjutning eller rotation. Rörelse som sker i någon av människans leder men inte resulterar i en kraft eller ett rörelsemoment definieras som en neutral zon. Den neutrala zon där halsens övre del låter huvudet rotera utan någon större belastning är ungefär 10 grader, beroende på rotationsaxeln.

Om vi inte tar hänsyn till muskelaktiviteten kan huvudet därför rotera ca 10 grader utan att det påverkar kinematiken vid en horisontell belastning av huvudet. Under ett typiskt islag hjälm-mot-asfalt roterar det fritt fallande huvudet ca 10 grader under islagets första 10 millisekunder. Man kan då hävda att halsen inte hinner påverka huvudet i någon betydande omfattning i den specifika islagsriktningen.

Det finns också andra aspekter att ta med i beräkningen för den som vill utveckla en ny testmetod med eller utan hals:

Slutsatsen är att människans hals med dess gräns mot huvudet också påverkar dess kinematik. Vid cykelolyckor är dock islaget i marken oftast kort (5–10 milllisekunder), vilket gör att halsen inte hinner påverka huvudets kinematik så mycket att den spelar någon roll för testet. Utifrån de aspekter som hittills är kända bör den nya testmetod som tas fram därför vara utan hals.

Visar ### av 121 varumärken med Mips-teknologi