冲击能量管理方法及系统 【技术领域】
本发明通常涉及冲击能量管理方法及系统。更具体而言，本发明涉及设计来保护受冲击物体或身体避免因冲击而受损的冲击能量管理方法及系统，该方法及系统具有易于定制成在宽范围的冲击能量上提供最佳冲击衰减响应的属性。
背景技术
A.碰撞物体的物理特性
运动中的物体具有动能(KE)，动能是物体的质量(m)与速度(v)的函数，用下式表示：
KE=12mv2---(1)]]>
在该物体与另一物体碰撞时，发生能量转换，产生力(F)。传送的力是两种主要关系的函数。
首先，施加给物体的力(F)等于该物体的质量(m)与其产生的加速度(a)，如牛顿第二运动定律所约束的，力＝质量x加速度或者F＝ma。加速度(a)量度物体速度(Δv)随时间(t)的变化(速度的变化可正或可负，因此加速度可呈现正或负的量)，因此，牛顿定律可改写如下：
F＝m((Δv)/t) (2)
根据该方程，显然减小给固定质量(m)的物体施加的力的一种方法是延长该物体改变速度的时间(t)，因此减小其加速度。
第二，力(F)是物体的能量(E)(具有动能的形式)在距离(d)上转化的结果，给出方程：
F＝E/d (3)
根据该方程，显然，减小具有给定量能量(E)的冲击物体的力(F)的另一方法是延长在其上转换物体能量(E)的距离(d)。
第三种关系约束所施加力的作用。压力(P)描述力(F)在压力(P)所施加的区域(A)上的集中度，并由下式约束：
P＝F/A (4)
根据该方程，显然，冲击的压力(P)可通过减小冲击物体所施加的力(F)或者通过增加施加该力(F)的区域而减小。
考虑到以上三种关系，显然，减小冲击物体导致的损伤的方法是通过延长该物体加速(或减速)的时间(t)或者能量转换的距离(d)来降低所施加力(F)的等级，或者增加该力(F)分布的区域(A)。理想的系统将使用这三种方法来减小冲击损伤。
力用牛顿(1N＝1kg-m/s2)或磅(lb)量度，质量用千克(kg)或质量磅(lb-m)量度，而加速度用米每秒平方(m/s2)或者英尺每秒平方(ft/s2)量度。通常已知的力是量度施加给物体的地心力的重力(w)。它等于物体的质量(m)与为9.81m/s2或32ft/s2的重力加速度(g)的乘积。在比较施加给相同或类似质量(m)的物体的力时，通常根据加速度的单位而不是力的单位对其进行表示(再如F＝ma)。这种情况下，加速度一般表示为重力加速度的倍数或者用“g”表示。因此，可认为物体经受“80-g”的力，或者力等于重力的80倍。一般而言，可假设更高的力比更低的力对物体损伤更大。
在两个物体可能碰撞的任何活动中，通常的作法是使用设计成管理碰撞的能量并使该碰撞导致的对受冲击物体地损伤最小化的保护性结构或材料。测试这种保护性系统的效力的常用方法是给该保护性结构或材料的一侧施加已知力(F)，并测量经由系统传递到另一侧的力。通常，用“下落试验”来实现。在这类试验中，冲击物体从给定高度向固定表面坠落(或机械地加速)，所述固定表面适合记录由冲击物体给它施加的力。典型的受冲击表面为其下附有“力环”的钢板，所述力环能够记录传递到该板的力，并将代表力的信号传送到数据捕获系统、通常为已编程计算机。钢板与力环的组合被称为“力板”。因此，保护性系统的有用比较包括将能量管理系统或材料置于力板上，将冲击质量朝该系统或材料坠落，并将经由该系统或材料传递到力板的力记录为时间的函数。
固定质量的物体坠落的高度越大，其在冲击之前获得的速度就越高，且其拥有的转移到受冲击表面的动能就越多。该冲击随时间的力用力/时间曲线表示，例如附图中图1所示的曲线。
重要的是记住，具有相同质量及相同冲击速度的所有物体将拥有相同量的能量。保护性结构或材料管理该能量的方法将确定力/时间曲线的形状。对于以给定速度冲击的给定物体，力/时间曲线下的区域、称为冲量(I)，将相同而与曲线的形状无关。但是，该曲线的形状表示力分布，所述力分布可根据正使用的能量管理系统而显著变化。一般而言，在管理冲击时，所获得峰值力的等级可被认为是能量管理系统的效力的最关键指示符。
B.作为冲击吸收材料的泡沫
用于保护物体免受冲击力的最普通材料之一是泡沫。固态泡沫构成轻质单元设计材料的重要种类，并在普遍存在冲击的多种应用中使用，例如体育运动(例如保护头盔)及汽车应用(例如仪表板罩)。泡沫的最一般定义是包含相对高体积百分比的小孔隙、并通过将以液体或固体来限制气泡的物质。孔隙允许泡沫在冲击下弹性变形，且冲击能量随材料压缩而消散。一般而言，泡沫通过将力扩散到宽区域并通过延长冲击发生的距离及时间并因此减少所传输力的等级而降低冲击压力。
虽然在过去几十年泡沫是冲击保护的主流，但是泡沫单独依靠材料变形用于其能量管理能力。这呈现两个主要局限性。
首先，依赖于材料属性严格限制泡沫的适应性。泡沫可定制成通过改变泡沫的密度或几何尺寸(厚度)只最优地响应于极特定范围的冲击能量，但是泡沫不能使其响应适合于宽范围的冲击能量。这可导致泡沫的功能能力与冲击能量不匹配，使泡沫对于冲击“太软”或“太硬”。对于冲击太软(不够密集)的泡沫将缩小得太快或者“触底”并向受冲击身体传递太多力。对于冲击太硬(太密集)的泡沫将缩小得不够并将受冲击身体减速得太快。
泡沫在冲击下变得完全被压缩时，它充当坚硬体并失去其吸收能量的能力。在泡沫完全压缩之后余下的冲击能量经泡沫直接传递到受冲击身体。对于给定冲击太软的泡沫将缩小得太快，这使大的力被传递到受冲击身体并有效降低了冲击发生的功能距离与时间。对于给定冲击太软的泡沫的力/时间曲线在附图的图2中示出。
在冲击的初始阶段，泡沫没有充分减缓目标，这在图2的力/时间曲线上用从0到0.075秒的早期仅逐渐增加线段来表示。接着，在从0.075至0.0125秒的时段期间，泡沫快速缩小并挤压下来，在这些点在短距离与时间出现减速，如图2的曲线中的尖峰所示。该曲线证实减速的主要部分出现在短暂时段与距离中，因此传递高峰值力，这是对受冲击身体的最大损伤。此外，软泡沫局部压缩的可能减小了力可被传输的区域，因此可能增加冲击的压力与损伤。由于在小区域中触底的潜在灾难性后果，软泡沫不能被用于可能包含中等或较高的能量冲击的场合。
相反，泡沫还可能对给定冲击太硬(太密集)。如果泡沫太硬，则它将在冲击的早期阶段中呈现太多阻挡，并将不缩小到足以(将不“压下”到足以)延长冲击的距离与时间。因此它使目标突然停止，表示为在附图的图3所示出的力/时间曲线中的尖锐持续上升到高峰值。这对于图3中标注为“试验1”的曲线最为明显。
这些密集泡沫基本能够扩展冲击区域并减小该区域上的压力，但是仍然可能导致高的力。密集泡沫的另一问题是高“回弹”的可能，其中，泡沫在压缩时暂时储存冲击能量，然后在回弹时重新传递冲击能量。因此，密集泡沫对于减小冲击的压力是有用的，但是其显著降低峰值力的能力有限。
即使在泡沫与冲击匹配的时候(可能偶尔出现或者通过泡沫的特定设计以满足极特定的能量等级标准)，泡沫还是具有固有限制。一个主要限制是泡沫不具有“压下”到足以延长冲击的距离与时间的能力。大多数泡沫将压下到其初始高度的60-70％的最大值，这限制了冲击发生的距离与时间，并导致较高的峰值力。考虑到定制泡沫的受限能力，对于工作在给定能量等级的给定材料，这提供仅一个选择来进一步降低峰值力。具体而言，该进一步减低峰值力的唯一方法是减小泡沫的密度并增加其高度或厚度。这种改变可减小峰值力，但是由于泡沫具有的使其在压缩时变得逐渐更密集的固有属性，曲线还是呈驼峰或钟形形状，这限制了泡沫减小峰值力的能力。此外，泡沫的增加厚度对于某些应用可能从美观角度或在实践中是不可接受的，且可还将能量管理系统的体积与重量增加到不可接受的程度。
考虑到泡沫的这些属性，一旦泡沫被制成，则它将具有其“最佳”执行的某个能量等级，但是该性能还是留下巨大的改进空间，且在其最佳范围之外，泡沫的性能将甚至更坏，对于给定冲击可能太硬或太软。因此，泡沫缺乏适应不同能量等级的冲击可能的能力。这导致泡沫的使用被设计成仅仅在某个标准表现最好或者被设计成只阻止最关键形式的损伤，但是使其它形式的损伤被解决得较差。附图的图4包含对于给定泡沫响应于两种不同的冲击能量所产生的两条力/时间曲线。从图4中显而易见，泡沫的性能随增加的冲击能量而降低。
泡沫的第二种限制是所有泡沫将在重复冲击之后呈现功能上的降低。某些普通泡沫，例如可发性聚苯乙烯(EPS)设计用于仅单个冲击。甚至设计成“多冲击”的其它泡沫还是在重复的冲击之后在功能上降低。该耐久性的缺乏对泡沫的使用呈现实际及安全限制。附图的图5包括对于对“多冲击”泡沫的连续冲击的一系列力/时间曲线，示出了泡沫性能随重复冲击的降低。
总而言之，与作为冲击吸收材料的泡沫相关联的问题包括：
(a)受限的适应性；
(b)非最佳冲击能量管理；
(c)能量吸收能力与所用材料的量的折中；
(d)较差的耐久性。
既然我们已经具体集中在泡沫的局限性上，本领域技术人员将领会可使用能量管理的其它装置，且它们可能也遭受与泡沫相同或类似的功能限制。
因此，在冲击能量管理领域存在对能够解决泡沫及其它常规能量管理系统的局限性的新颖系统的需要。
【发明内容】
依照本发明，提供了一种新颖的设计成解决泡沫及其它常规能量管理系统的局限性的冲击能量管理方法与系统。
依照本发明，提供了一种用于保护身体免遭因对身体施加的冲击而损伤的冲击能量管理方法，该方法包括以下步骤：
(a)将保护性结构放置在要保护的所述身体的至少一部分之上，所述保护性结构能够减小冲击经由所述保护性结构传递到所述身体的力；
(b)给所述保护性结构提供第一冲击吸收机构，所述第一冲击吸收机构响应于所述冲击的初始阶段而阻止屈服并在所述冲击的所述初始阶段之后对所述冲击屈服；
(c)给所述保护性结构提供第二冲击吸收机构，所述第二冲击吸收机构在所述冲击的初始阶段之后工作，使得传递到所述身体的力在所述冲击的剩余部分期间保持基本恒定。
依照本发明的示例实施例，保护性结构包括一个或多个单独的或者与其它冲击吸收材料和/或层组合的冲击吸收可压缩单元。每个单元具有热塑材料的薄壁外壳的形式，该外壳定义具有至少一个孔的内部流体填充室。每个单元适合在冲击的初始或早期阶段阻挡对其施加的冲击，并接着有目的地屈服以便允许在单元的内室中的流体通过经由孔排放流体来管理冲击的剩余部分。每个单元还适合恢复到其初始形状，且所述孔适合允许流体快速再填充到单元的内室中，使得在冲击之后所述单元易于接受并衰减其它冲击。
在本发明的优选实施例中，单元具有基本圆形对称盘形状，并提供有侧壁，所述侧壁准垂直定位并具有厚度，使得它们在对单元的冲击的初始或早期阶段期间阻止塌陷，并使得它们在以后弯曲以允许单元中的流体通过经由孔的排放来对冲击的剩余部分进行管理。通过仔细选择单元的属性，例如制作单元的材料、其壁的厚度、单元的几何尺寸、单元的流体容量及排放孔的大小、配置、位置及数量，单元可定制成提供对宽范围的冲击能量上的冲击的最佳响应。
公开了保护性可压缩单元的各种备选实施例。
【附图说明】
通过以下结合附图描述的示例实施例，本领域技术人员将更好地理解本发明的前述及其它目的、特征及优点，其中：
图1是冲击吸收材料的典型力/时间曲线，将材料传递的力示出为时间的函数；
图2是泡沫材料的力/时间曲线，该泡沫材料对于施加到泡沫的冲击太“软”；
图3是泡沫材料的一系列力/时间曲线，该泡沫材料对于施加到泡沫的给定冲击(即试验1)太“硬”；
图4示出了给定泡沫的两条力/时间曲线，说明了泡沫响应于不同冲击能量的性能变化；
图5是泡沫材料的一系列力/时间曲线，说明了因为重复的冲击泡沫的性能下降；
图6是依照本发明所包含的可压缩单元的部分横截侧视图；
图7是图6的单元的顶视图，示出了其通常圆形的对称形状及配置；
图8是例如图6所示的单元的力/时间曲线，示出了可如何把该单元定制成产生几乎梯形与扁平的力响应；
图9示出了例如图6所示的单元的两条力/时间曲线，说明了该单元对两种不同冲击能量的响应；
图10示出了具有碟形的可压缩单元的力/时间曲线，不具有初始阻挡机构；
图11示出了具有类波纹管侧壁的可压缩单元的力/时间曲线，也不具有初始阻挡机构；
图12是示出依照本发明所包含的优选单元的横截面及几何尺寸细节的示意图；
图13是示出可能适用于依照本发明的其它单元的横截面的示意图；
图14是本发明的第二实施例的部分横截侧视图，其中，初始阻挡机构包括设置在单元内部的弹性可收缩环；
图15是本发明的第三实施例的部分横截侧视图，其中，将例如图6所示的单元与泡沫基板结合以便增强单元的震动吸收响应及耐久性；
图16是本发明的第四实施例的侧视图，其中，将例如图6所示的单元与相同结构的第二单元组合；
图17示出了例如图6所示单元的多个单元14、15或16，所述多个单元并排设置以形成具有外壳与内层的多层保护性结构的中间层。
【具体实施方式】
附图的图6及7中示出了依照本发明所包含的可压缩的冲击吸收可压缩单元10。
在图6及7的示例性实施例中，单元10由例如热塑弹性(TPE)材料的热塑材料制成，形成为薄壁的中空外壳12，其中具有顶壁14a和底壁14b以及通过其底壁14b的孔16。单元10的侧壁18以准垂直方式定向，使其在单元10上提供对冲击的初始抵挡，但是接着有策略地向外弯曲以允许单元10中的流体(在该示例中为空气)通过经由孔16进行排放而管理余下的冲击，如空气流箭头20所示。制作单元10的热塑材料的弹性属性结合空气经由孔16的回填，允许单元10在冲击之后迅速恢复其初始形状。
图7是单元10的顶视图，示出了其一般圆形且对称的盘形状与配置。这种一般对称形状允许该单元响应一致，而与冲击施加到单元10上的何处无关，并与冲击相对于单元10的角度无关。
单元10的基本概念特别解决了常规泡沫及其它类似能量管理材料及结构的局限性，且与先前在能量管理系统中使用的其它空气系统不同。首先，单元10提供多个定制选项，包括制成它的热塑材料的属性的选择与改变，其壁的厚度，单元的几何尺寸，单元的流体容量，以及排放孔的尺寸、配置、位置及数量。通过仔细相互协调地选择并调节这些属性，可定制单元10的功能，实现比迄今用常规泡沫及其它系统实现的更稳健的功能范围。仔细校准这几个属性将允许本领域技术人员基于将格10应用的特定应用来确定最优组合。
第二，单元10能够以唯一方式管理冲击能量。从上文可知，对于以给定速度(v)运动的给定质量(m)的物体，该物体的冲量或其力/时间曲线下的区域将相同。但是，冲击吸收单元10管理该冲量的方式将确定力/时间曲线的分布。回想甚至最优的泡沫将产生钟形或驼峰状的曲线。但是，单元10允许对相同的冲量以与泡沫不同的方式进行管理。与钟形或驼峰状的曲线相反，单元10主要因其初始阻挡机构而对冲量进行管理，使得力/时间曲线变得接近梯形，快速上升到稳定水平，然后，主要因为流体排放机构而在它返回到零之前显示出在余下冲量的大部分上的明显平坦部分。因此，单元10可通过对冲量进行管理使得其力/时间曲线基本“平坦”而减小它转移的峰值力。附图的图8中示出了本发明的单元10产生的这种类型的平坦力/时间曲线的示例。
为了以一般钟形力/时间曲线变得几乎梯形及平坦的这种方式来管理这种冲量，相互协调地选择单元10的上述属性，即材料、壁厚、单元几何尺寸、流体含量及尺寸、孔的配置位置及数量，以便产生预期响应。具体而言，选择这些属性使得在冲量的初始部分中，初始阻挡机构、例如单元10的可塌陷侧壁18可以开始物体的减速，如图8的力/时间曲线中从0到0.005秒的时段的陡峭倾斜开始部分所示。一旦单元10的侧壁18开始塌陷并向外弯曲，则从单元10经由孔16排放的流体对该冲击进行管理，这由图8的曲线中从0.005到0.02秒的时段的平坦部分表示。
单元10能够对冲击能量进行较好管理的主要原因之一是流体排放允许单元10“压下”到比泡沫更佳的距离；多数情况下，根据单元10的特定壁厚，它可易于缩小到其初始高度的90％以上。这种压缩能力允许冲击出现比泡沫更长的距离与更多时间。此外，单元10中的流体在压缩期间不会变得基本更密集，因此允许随时间与距离的更固定阻挡，与随压缩而变得逐渐更密集且导致变尖的曲线的泡沫相反。单元10的所增加压下与固定浓度产生更平坦的力/时间曲线，指示冲击物体的“更软着陆”。
单元10的另一主要优点是其适合不同冲击能量等级的能力。该优点一般由流体在压缩时的属性产生。这种情况下，随着冲击能量的增加，格10的内室中的流体变得逐渐汹涌，并且与其在较低能量冲击时的流动相比，不易经由孔16流出。因此，与其在较低冲击能量下的较软表现相比，流体实际上在高冲击能量下表现为较硬的机构。这种适应性提供对不同冲击能量等级的更佳能量管理。单元10的这种适应性的示例在附图的图9中示出。图9示出了例如单元10的可压缩单元在两种不同冲击能量等级的力/时间曲线；根据这些曲线，显然，这两种冲击的峰值力相对相同，虽然在第二曲线中冲击的能量及冲量大小增加了。从图9的曲线与在附图中图4所示的单种泡沫在两种不同冲击能量等级的曲线比较显而易见，这种适应性提供比泡沫有价值的优势。
最后，单元10具有呈现比泡沫更高耐久性的可能。根据为单元10所选的材料，且具有将单元10与互补能量管理组件组合的可能，例如下文结合图13、14及16的实施例所述，单元10可呈现一致的冲击吸收性能，即使在重复冲击之后仍具有较小或没有功能下降。
重要的是注意，上文所述的单元10的关键属性在任意特定设计中被优化，以便提供如上所述的唯一冲量管理属性。如果单元10的初始阻挡机构、例如可塌陷侧壁18太硬，则单元10与密集泡沫表现类似；如果初始阻挡机构(例如侧壁18)太软，则单元10将与密集泡沫表现类似。如果不从孔16适当地排放流体，则单元10在初始冲击之后将不正确响应。如果例如孔16太大，则空气在排放期间不提供阻挡且单元10与软泡沫表现类似；如果孔16太小，则空气被困住并表现得像泉，因此施加与阻尼效应相反的不合需要的跳跃效应。
此外，重要的是注意，不是所有的中空流体填充腔或空气室都以上文所述的这种唯一方式管理能量。空气作为能量管理系统的使用已被广泛地使用，但是在其它形式中受到限制。在附图的图10及11中示出了不具有任何初始阻挡机构的两种其它类型的空气填充单元的力/时间曲线。图10对应于具有盘或飞碟的形式及形状、不具有初始阻挡机构的排放型可压缩单元。图11对应于具有类波纹管或者波纹状侧壁、也不具有初始阻挡机构的排放型可压缩单元。
其力/时间曲线在图10及11中示出的单元不能提供对冲击的足够初始阻挡，如曲线的开始部分所证实，这些部分只在曲线快速斜升到高峰值力之前逐渐增加。这些曲线视为对更软泡沫的那些曲线的模拟。考虑到空气的可压缩性，如果在单元内不包含初始阻挡机构，则它将缩小得太快并不能产生快速上升的平坦梯形形状曲线。相反，如果单元被密封并受压，则它可变得太硬并不足以产生对能量的正确管理，并可还产生不合需要的跳跃效应。或者，如果空气被容纳在互联的可压缩单元的可伸展囊状网络中(与单元10的相对容纳环境相比)，则在冲击时，空气可在囊中流动并提供对冲击的极少阻挡。
当然，图6的单元10的优选材料、壁厚、单元几何尺寸与大小及孔大小取决于使用单元10的特定应用以及在特定保护性结构所用的这种单元的数量与该结构的其它部件及组件。注意，TPE材料尤其适用于作为单元10的材料。及SantopreneTM TPE是两种商用的TPE，其可易于被吹塑成单元10的所需形状及配置并可呈现极佳的弹性与耐久性。可用于单元10的其它材料包括热塑聚氨酯弹性体(TPU)及低密度聚乙烯(LDPE)。
附图的图12是示出依照本发明所包含的优选单元10的横截面与几何尺寸及空间细节的示意图。在图12中，优选的单元横截面用黑体或粗线条表示。优选地，图12的单元10关于其中心轴线X对称，使得单元10沿垂直于轴线X的平面的任意横截面形成圆。如上所述，这有助于确保单元10的响应相同，而与冲击的位置与角度无关。当以任意直径在侧视图中将单元10横截时，例如如在图12所示，单元的边缘形成经过以特定模式布置的点的特定集合的对称形状。这些点在格10的边缘为圆形的情况下可为圆圈，在图12中标记为A、A’、B、B’、C及C’。在该模式中，点B与B’分别在A及C与A’及C’之间距离相等。线AC及AB形成的角度大于0且小于45度。线CA与CB、A’C’与A’B’以及C’A’与C’B’分别形成的角度也相同。满足该定义并可能适用于依照本发明的单元10的其它横截面形状在图12中用较细较浅线条表示。
图13示出了可能适用于依照本发明的单元10的其它横截面形状。
如上所述，单元10的特定形状与尺寸将一定程度上取决于将其置于的特定应用。像图12的单元10的、预计用于例如在下文结合附图的图17与成形并配置用于保护性头盔的多个相同单元10一起示出并描述的保护性结构的单元可具有以下空间及其它细节。图12的单元10的高度约为1.0英寸，其顶壁与底壁的直径d1约为1.75英寸，其中间直径d2约为2.00英寸。单元10的材料为TPE。单元外壳12的壁厚t可在约1.0到约3.00mm的范围，其中典型厚度(t)约为2.00mm。孔16(见图6)的直径可在约1.0mm到约5.00mm的范围中，其中典型孔径约为2.5mm。要理解，这些尺寸大小和/或角度中任意之一的变化可需要其它尺寸大小和/或角度的对应调节，因为所有值相互关联。对于给定应用值的最优组合可在没有不适当试验的情况下通过样本测试轻易确定。
图14示出了本发明具有可压缩单元50的备选实施例，可压缩单元50在设计上与前文所述的单元10类似。但是，在单元50中，初始阻挡机构由独立于单元50的壳52的但是与壳52协作提供预期初始阻挡的组件提供。在该示例实施例中，初始阻挡组件包括设置在单元50的壳52之内的弹性塑料环62。单元50一般具有垂直侧壁58，所述垂直侧壁58可相对适应使得它们响应于冲击而提供对塌陷的较少阻挡。但是，内部环62设计成在冲击的初始阶段阻挡塌陷，与格10中的侧壁18阻挡的方式大致相同，并接着有策略地向内弯曲并塌陷，允许流体经由单元50的孔56进行排放充当处理余下冲击的机构。与单元10类似，单元50的属性及其内部环62可被设计为响应于宽范围的冲击能量产生几乎梯形的、平坦力/时间曲线。
环62可与单元50的外壳52分离地进行制作，并在固定底壁54之前将其插入到单元壳52内部。环62可在其顶部及底部边缘粘合到外壳52的内表面。要理解，初始阻挡组件还可围绕单元50的周围设置在单元外壳52之外。
图15示出了本发明的另一实施例，其中可压缩单元、例如图6的单元10与常规泡沫的基板70结合。泡沫基板70可粘合或者固定到单元10，并可具有允许流体在冲击期间自由流出单元10并在冲击结束时流回单元10的中心孔径72。泡沫基板70改善了所组合单元10衰减并吸收冲击的能力，并改善了单元10的耐久性，即其以其性能的最小损伤与退化来抵挡多个冲击的能力。
图16还示出了本发明的另一实施例，其中保护性结构100包括结合到公共基板102的相对侧的一对可压缩单元、例如图6的单元10或图14的单元50。对上部单元10或50进行定位，使得它在冲击时向下排放。对下部单元10或50进行定位，使得它冲击时向上排放。可为泡沫或其它塑料的基板102提供有若干相反延伸的径向通道104，所述径向通道104允许流体在冲击时从单元10或50横向排放，并在冲击之后横向返回到单元10或50。虽然单元10或50在图6中示出为具有相同相对尺寸，但是要理解它们可具有不同尺寸，例如下部单元10或50可比上部单元10或50小，以便保留空间并使该结构不太庞大。
图17是用于保护身体B免受因冲击而带来的损伤的多层保护性壳结构200的实施例的横截图。保护性结构200包括多个可压缩单元、例如图6的单元10或图14的单元50，所述多个可压缩单元并排设置在外壳204与内层206之间的中间层202中。外壳204可为响应于冲击而局部且径向变形的相对薄、相对硬的塑料层。内层206可为常规泡沫。单元10或50可粘合到外壳204的内表面和/或内层206的外表面，或者被通过可松开的紧固件(未示出)半长久地固定到那里。内层206与图15的实施例中的泡沫基板70一样，可提供有允许流体在冲击期间从单元10或50通过内层206排放到身体B的多个孔径208。要理解，因为单元10或50的弹性特性，外壳204不但将响应于冲击的径向分量(该分量将被单元10或50及内层206有效吸收)而变形，而且将响应于冲击的切线分量而相对内层106切变，也吸收这些分量。
图17的分层结构200尤其适合用于构造保护性头盔以便保护穿戴者的头部免受冲击有关的震动及其它损伤。分层结构200的特定配置及实现包括安全头盔、摩托车头盔、自行车头盔、滑雪头盔、长曲棍球头盔、曲棍球头盔、橄榄球头盔、棒球头盔、防岩石或登山头盔以及拳击头盔。其它应用包括用于建筑场所、国防及军事应用以及地下活动的头盔。
还要理解单元10或50以及分层结构200可适合用于多种其它冲击吸收及震动衰减应用。
总而言之，上文所述的是拥有要素与属性的唯一组合的可压缩单元10或50，所述要素与属性可单独进行选择与调节并相互协同地工作以便以新颖方式管理能量。具体而言，单元10或50提供以下优点：
(a)多种定制选择；
(b)通过不同冲击吸收机构提供的阶段化阻挡(允许力曲线的成形及峰值力的减小)；
(c)所增加“压下”及避免因压缩而增加密度(在不需要增加厚度的情况下导致力曲线的变平及峰值力的减小)；
(d)对变化的冲击能量等级的适应性；以及
(e)与泡沫相比的优良耐久性。
既然参考具体实施例示出并描述了本发明，那么在不脱离本发明由随附权利要求书所定义的范围的情况下，本领域技术人员将理解可对所述实施例进行各种改变及添加。例如，要明白单元10及50可提供有一个以上孔，且孔的位置、尺寸及配置可变化。具体而言，可提供具有单向阀的独立孔，空气经所述阀在冲击之后流动以重新填充单元。在这种情况下，流出孔可相对小或具有缝隙的形式，使其提供对冲击的最佳阻挡，而流入孔可相对大以便允许在冲击之后单元的快速再充填。本领域技术人员还要理解若干其它机构可被设计并使用来给单元在冲击的初始阶段提供对塌陷的预期阻挡。因此，随附权利要求书的目的是要覆盖本领域技术人员可进行的这些或其它改变。