Hvorfor sikkerhedssko? – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Niels Bohr Institutet > Spørg om Fysik > ? om Fysik > Hvorfor sikkerhedssko?

30. december 2011

Hvorfor sikkerhedssko?

Hej Spørg om Fysik
Vi har diskuteret i familien, om hvorvidt en tynd læder sko kan gøre en større forskel på hvor stor skaden bliver, hvis en ikke spids genstand rammer direkte på foden. Deres overbevisning er, at nogle af kræfterne er bliver fordelt ud igennem siderne af skoen, og at skaden derfor i stor grad bliver mindre.

Min overbevisning er, at eftersom materialet ikke har en stor masse, og ikke har mulighed for at aftage noget af energien ved slaget, gør at skaden på knoglerne bliver den samme.

Min teori grunder i, at hvis man f.eks. ser på en sikkerhedssko, så ser man, at en jernplade danner en bue over foden, og derfor ledes energien udenom foden og ned i jorden. Det kan læder ikke gøre.

Med venlig hilsen
A G

Vi er på NBI ikke specialister i, hvordan menneskeligt væv påvirkes af slag eller i beskyttelsesmidler. Der findes steder, hvor det studeres. Der er imidlertid en del fysik i det, så vi prøver med et svar alligevel.

Generelt kan man sige, at hvis en genstand rammer noget, f.eks. os selv, afhænger skaden bl.a. af fladen den rammer med, hastigheden, massen, samt tiden det tager at stoppe genstanden, hvis den rammer noget som kan give efter og gøre tiden længere. Den sætning, der siger noget om kraften, hedder impulssætningen (en udgave af Newtons II lov), og den siger F*Δt = m*v, hvor F er kraften (måles i newton, 1 newton er kraften man føler, når man løfter 100 g), der stopper genstanden, Δt er er tiden (sek.) kraften virker i, for at stoppe genstanden, m er genstandens masse (kg) og v dens fart (m/s). Kraften alene beskriver ikke skaden på en fod. Tænk på forskellen på at tabe et spidst grillspyd på 1/4 kg imod foden og en flad polystyren klods (flamingoskum) på ¼ kg (en blok på ca. 23*23*23 cm3). Den spidse masse vil kunne trænge ned i foden, skummet vil slå, men næppe skade dog principielt afhængigt for begge af fladhøjden. Det der betyder noget er trykket på den flade genstanden rammer. Trykket p = F/A hvor A er arealet (målt i m2) og trykket p måles i pascal (atmosfæretryk er omkring 105 pascal).

Nu til skoen

Hvis en genstand rammer fødderne vil en lædersko (afhængig af genstandens størrelse) kunne fordele kraften over en større flade, mindre tryk og dermed kunne bevirke mindre skade. Er der tale om svært læder som f.eks. en militærstøvle eller en svær vandrestøvle, vil den være god til at fordele og givetvis mindske skaden. Det gælder specielt sikkerhedssko uden stålindlæg, som er beregnet til at give en vis beskyttelse imod f.eks. tabte genstande.

Eksempel på sikkerhedssko

Er skoens øvre flade og sider så stive, at de kan aflede nogen af kræfterne til skoens sål, er det godt for foden. Mange sko af klassisk design har en snude af lidt tykkere læder. De er gode til dans fordi, at dette lidt tykkere læder fordeler trykket og stiver toppen af skoen af, hvis man bliver trådt over tæerne af en anden sko. Er det partneren er det i reglen overkommeligt, problemet opstår, hvis man bliver ramt af en stilethæl fra et andet par hvor damen træder kvikt tilbage.

En stilethæl kan være på 1 cm2 (eller mindre), vejer damen der træder tilbage og rammer ens fod f.eks. 55 kg, kan trykket under hælen blive mere end (55 kg* 9,82 m/s2)/10-4 m2 = 5 400 000 Pa = 54 atmosfærer,  der går 104 cm2 på en kvadratmeter. Det er altså en ganske voldsom kraft, fordi arealet er lille. Stillede den samme person sig op på dine fødder i strømpefødder måske med hop, ville det nok være udholdeligt.

Stilethæl

Til sammenligning en leopardkampvogn med masse på omkring 60 ton har et tryk under bælterne i jævnt terræn på knap 1 kg/cm2 eller ca. 1 atm. Styrthjelm. Den anden interessante faktor, der indgår, er tiden. I styrthjelme er der ofte en indre kalot af f.eks. polystyrenskum, og der kan også være en indre lærredsflade så hovedet er lidt fra indersiden. Ideen er her bl.a., at hvis man lander på hovedet, deformeres og sprænges lærredsindersiden og polystyrenlaget presses derefter sammen af hovedet. Det betyder, at slagtiden bliver længere og slaget bliver fordelt over et større areal. Den ydre skal er i reglen hård så kanter og spidser ikke nemt går igennem. Alt dette bevirker længere stødtid og dermed mindre kraft (og tryk) så chansen for kraniebrud og brækket hals bliver, en del mindre. Det forhindrer ikke hovedskader, det mindsker risikoen, en fornuftig fart er et meget vigtigt moment i overlevelse, hvis man er tohjulet motoriseret. Når man har været i asfalten med sin hjelm, skal man smide hjelmen væk og købe en ny fordi skallen kan være skadet, men mest fordi polystyrenskallen er sammentrykket, og ikke mere giver samme sikkerhed og forlænger stødtiden.

Sikkerhedssko

Leopard 2 kampvogn

Moderne sikkerhedssko har i reglen en række isolerende og beskyttende egenskaber. Den højeste klasse skal kunne klare punktformig belastning, hvis man træder på et søm, på 1100 N (igen 1 newton svarer til den kraft man mærker, når man løfter 100 g), kunne klare en mekanisk energi på 200 joule svarende til et 20 kg lod som falder fra 10,2 m (tænk hvad et sådant lod ville gøre ved bare tæer), samt en kraft der søger at trykke skonæsen sammen på 15000 newton eller svarende til at der ligger 1,5 tons på ens tå. Der er altså tale om stålnæser på fodtøjet og i reglen en stålsål, som skal hindre at søm og skarpe genstande i at trædes ind i foden.

Altså min vurdering er, at lædersko af den lettere type vil fordele slaget over en lidt større flade, og gøre det lidt mindre skadeligt. Des stivere læderet er des mere fordeling og samtidigt vil siderne af skoen også kunne mindske trykket, de vil altså kunne forebygge moderate uheld hvor man taber ting. Endvidere vil en buet eller struktureret overflade (flere lag, syninger osv.) også kunne mindske effekten af slag imod foden.

Hvis vi i stedet ser på skoens sål så vil selv meget tyndsålede sko gøre det meget lettere at gå i skarpkantet grus, fordi kraften fra grusets spidse stene fordeles over en større flade. Prøv det selv i bare fødder og med en karklud eventuelt en dansesko om/på hver fod.

Med venlig hilsen
Malte Olsen