百米高空掉落的铁钉能砸破工人的黄色安全帽吗？

Question

安全帽的质量关乎一线工人的生命，红、黄安全帽的相撞，撞出了一个大大的工地安全隐患。被撞坏的黄色安全帽，除了本身质量外，是否还有其他因素的作用，如何分析黄色安全帽的受力状态？

Answer 1

我们可以用动量定理F·t=mΔv来进行简单的验证。一根铁钉的质量大致为20克。由h=1/2gt², v=gt可以算得铁钉掉落的速度大致为45m/s。假设铁钉与安全帽的接触时间为0.001s，则由动量定理，铁钉对安全帽的冲击力大致为450N。而国际标准规定安全帽能承受的最大冲击力不超过4900N。可见如果是质量合格的安全帽，我们计算的冲击力是合格的。但这只是理想情况，如果铁钉正好垂直落下，钉尖砸到帽子上呢？我们下面继续分析。

安全帽是典型的壳体结构（层状结构，类似于龟壳），这种结构的拱形曲面可以抵消外力作用，使结构更加坚固。龟壳背甲呈拱形，跨度大，包括很多力学原理。虽然只有几毫米的厚度，但用铁锤砸也很难破坏。外力作用在壳体表面上，通过壳形来传递力和承受载荷，当顶部受压时，可以均匀扩散压力。

当作业人员头部受到坠落物的冲击时，利用安全帽壳体、帽衬等在瞬间先将冲击力分解到头盖骨的整个面积上，然后利用安全帽各部位缓冲结构的弹性变形、塑性变形和许用的结构破坏将大部分冲击力吸收，使最后作用到头部的冲击力大大减小，从而保护作业人员。

我们接着说一下应力集中问题。应力集中是指受力构件由于外界因素或自身因素几何形状、外形尺寸发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象。所谓的应力集中，我们生活中很常见，比如说人字拖的两根绳根处最容易坏，砍大树时，先在树根处砍一个三角形口子，然后用力推树就容易把树推断。如果铁钉垂直落下，一瞬间发生应力集中，可能产生的冲击就不止450N那么多了。我们可以做个尝试，用一根针，平着触碰皮肤，和用尖部触碰皮肤，痛感是完全不同的。

近几年发生的一些安全帽事件，主要原因是安全帽的质量生产不合格，一个合格的安全帽的价格还是要比廉价次品贵很多的，坠落物可能由于各种各样的原因产生各种冲击，我们只能从理论上来分析，质量部门也是考虑各种因素进行安全帽测试，基本上合格的安全帽是能保证作业工人的安全的。

Answer 2

如果是合格生产出来的安全帽的话，是不会被打穿的。

一个安全帽，怎么才算合格呢？答案是按照中华人民共和国国家标准中的《安全帽试验方法》进行测试，测试通过之后才算是合格的安全帽。

那么为了防止高空掉落的比较尖的物体刺穿安全帽，要做什么试验呢？我们来看下面这张图，这张图就是安全帽的防刺穿试验。

可以看到，合格的安全帽应该是能够承受3KG的尖刺重物从1米的高度砸下来，而转换成动能大概是3*1*10=30J的能量。所以一个合格的安全帽可以承受动能为30J的尖锐物体的撞击。

那么一枚铁钉从100米的高楼上掉下来大概有多大的能量呢？我们先看一下铁钉的重量，下面这张图就是铁钉的生产标准，可以看到，大概1cm长的铁钉一枚在0.07克左右，4cm长的铁钉一枚在1.56g左右，10cm长的铁钉15g左右——这些都是我们平时比较常看到的钉子的尺寸。

那么从100米高的楼上掉下来，如果不考虑空气阻力作用，这几种型号的铁钉产生的动能大概是多大呢？答案是，1cm的铁钉，0.07J；4cm的铁钉，1.56J；10cm的铁钉，15J。所以这些常用的铁钉从100米高的楼上掉下来，产生的动能都不足以击穿安全头盔。

而比如说15cm长的铁钉掉下来产生的能量是足以击穿头盔的，但是考虑到空气阻力，也考虑到铁钉很难刚好尖头朝下，所以还是有很大概率无法击穿的。

不过这是对合格的安全头盔，如果是假的安全头盔，那么就跟纸糊的一样【如下图所示，就是有建筑工人反映他们的安全头盔根本就是伪劣产品】，估计是没办法抵挡高空掉落的铁钉的。施工场地，安全第一，还是希望包工头们有点儿良心。

Answer 3

肯定可以，根据物理自由落体定律，向上加速向下减速都属于超重状态，一个铁定的质量达到原来的好几十倍松松可以把人贯穿，再者就要看帽子的质量有多好了

Answer 4

一般来说安全帽的质量经过重重测试，是不会被砸破的，当有人恶意或者借助外力而有意将其砸坏，也不是没有可能，毕竟百米高空点下的东西本身质量就会变得非常大，所以还是有可能的。

Answer 5

安全帽是防止冲击物伤害头部的防护用品。由帽壳、帽衬、下颊带和后箍组成。当作业人员头部受到坠落物的冲击时，利用安全帽帽壳、帽衬在瞬间先将冲击力分解到头盖骨的整个面积上，然后利用安全帽各部位缓冲结构的弹性变形、塑性变形和允许的结构破坏将大部分冲击力吸收，使最后作用到人员头部的冲击力降低到4900N以下，从而起到保护作业人员的头部的作用。安全帽的帽壳材料对安全帽整体抗击性能起重要的作用。所以不能砸破