تحقیق و بررسی

آیا کارابین هایی که سقوط کرده یا ضربه دیده باشند، غیر قابل استفاده و خطرناک اند؟

کارابین های ضربه دیده

من اغلب شنیده ام که دیگر سنگنوردان یا حتی مربیان در برنامه های طبیعت چیزهایی همانند موارد زیر را می گویند:

سقوط یک کارابین روی یک سطح سخت می تواند منجر به “میکروشکست” آن شود-یعنی به اندازه ای آن را تضعیف می کند که دیگر ناامن خواهد بود. اگر شما یک کارابین را بیاندازید حتی از ارتفاع کمر خود و حتی فقط یکبار، بایستی آنرا کنار بگذارید.

 

براستی میکروشکست یک واقعیت است اما احتمالا شما نیاز به دکترای تخصصی دارید تا بتوانید آن را درک کنید. تحقیق درباره ی میکروشکست فلز در مقالات و مجلات علمی مربوط به مواد فلزی و کامپوزیتی را بدست می دهد، همچنین یک موضوع SuperTopo (یک سایت اینترنتی که بهنرین کتاب های راهنما را برای سنگ نوردان ارائه می دهد) درباره این بود که آیا میکروشکست حقیقت دارد یا نه؟ (آیا مشکل خواب در شب دارید، میکروشکست در کامپوزیت های زمینه فلزی را شبیه سازی کنید، یک گزارش فنی از ناسا، بایستی شما را سریعا خواباند).

 

میکروشکست یک شکست غیرقابل مشاهده با چشم غیر مسلح است. شکست می تواند باعث تمرکز تنش شده و تحت نیرو توسعه یابد و استحکام ماده را کاهش دهد. فلز، یا هر ماده دیگری برای این موضوع، ذاتا ناکامل است و دارای عیوبی در ساختار کریستالی از جمله ترک های کوچک می باشد[1]. سوال عملی این نیست که زمانی که کارابین آلومینیومی دچار میکروشکست می شود یک ضربه را تحمل می کند یانه، بلکه سوال این است که آیا این ضربه در حقیقت تفاوتی را در استحکام آن ایجاد می کند یا نه.

 

در سال 2007، زمانی که من یک دانشجوی مهندسی مکانیک در دانشگاه کولورادو بودم، دوستان و رفقای کوهنوردم روس کالیسون، جاستین اوبرین، پائول گینزبورگ و من تصمیم گرفتیم این سوال را مورد بررسی قرار دهیم. ما 30 کارابین را از ارتفاع 7، 12 و 33  متری روی بتن انداختیم و با استفاده از فیلم های ویدئویی با سرعت بالا فیلم برداری کرده و استحکام نهایی آنها را مورد آزمایش قرار دادیم.

 

نتایج؟ هیچ تفاوتی بین استحکام شکست کارابین نو و کارابینی که سقوط کرده است وجود ندارد حتی در موردی که از ارتفاع 33متری سقوط کرده است. با این حال نبایستی چنین گواهی داد که می توان وسیله ی مورد نظر را بدون احتیاط بکار برد، چنین به نظر می رسد که شما نبایستی درباره استفاده دوباره از یک کارابین سقوط کرده از ارتفاع کمر خود نگران باشید. به مطالعه ادامه دهید تا نکات بیشتری را در مورد آزمایش ما یاد بگیرید.

 

[یادداشت ویراستار: تست استحکام با استفاده از دستگاه Instron انجام گرفته است که تصویر آن در زیر نشان داده شده است. فیلم هایی از سقوط کارابینها و تست استحکام را با مطالعه تا پایان این مقاله مشاهده کنید].

بیشینه

کارابین ها از آلومینیوم T6-7075 ساخته شده اند که دارای خواص مکانیکی زیر هستند [2]:

مدول الاستیک: GPa 7/71

استحکام تسلیم: MPa 462

استحکام نهایی: MPa 524

بطور سنتی، کارابین ها توسط فرآیندی به نام آهنگری سرد ساخته می شدند. در آهنگری سرد، یک فلز زیر دمای تبلور مجدد (دمایی که در آن ساختار کریستالی داخلی شروع به تغییر شکل می کند) دچار تغییرشکل پلاستیکی می شود (تغییرغیربرگشت پذیر توسط نیرو)، و کرنش سخت شده و این باعث سخت تر و مستحکم تر شدن می شود اما شکل پذیری (توانایی تغییرتوسط کرنش بدون شکست) را کاهش می دهد. تعداد زیادی از کارابین های مدرن با آهنگری داغ ساخته می شوند. در این نوع آهنگری، فلز در دمایی بالاتر از دمای تبلور مجدد دچار تغییر شکل پلاستیک می شود و بنابراین کرنش سخت نمی شود [3]. از آنجایی که شکل پذیری فلز حفظ می شود، آهنگری داغ اجازه ساخت کارابین هایی با شکل های پیچیده را نیز می دهد.

تجهیزات تست

ما خوابگاه های با ارتفاع بلند را بعنوان محل آزمایش انتخاب نمودیم. ارتفاعاتی که برای سقوط کارابین ها انتخاب شدند بر این اساس بود که چه کسانی به ما اجازه انداختن چیزی از پنجره اتاقش به بیرون را می دادند. ساکنان اتاق های سوم، پنجم و سیزدهم افراد مطلوبی برای این کار بودند. (در حقیقت ما از دانشگاه نیز برای انجام این کار اجازه گرفته بودیم).

ارتفاعات سقوط به ترتیب 7، 12 و 33 متر بود. سطح ضربه یک بتن با ضخامت 6 اینچ و دارای استحکام فشاری psi 3500 بود. ما دو نوع کارابین را مورد آزمایش قرار دادیم:کارابین های تولید شده به روش آهنگری سرد و کارابینرهای با مدل مشابه و تولید شده به روش آهنگری داغ. همه ی کارابین ها نو بودند. ما از هر نوع 5 عدد، و از هر ارتفاع و فقط یکبار انداختیم. ما یک نوار به انتهای هر کارابینر گره زدیم تا موقعیت ضربه را کنترل کنیم- که معمولا در سمت دایره ای و جایی بود که کارابینر باز میشد (دهنه کارابین).

ما در کل 40 کارابین را مورد آزمایش قرار دادیم- 5 تا آهنگری داغ شده و آهنگری سرد شده و از هر ارتفاع همراه با نمونه های شاهد که سقوط نکرده اند. ما ضربه را با دوربین فیلمبرداری با سرعت بالای Olympus iSpeed با 1500 فریم بر ثانیه فیلم برداری نمودیم.

کارابین ها در ماشین تست کشش Instron برای شکست کشیده شدند. ما از استانداردهای تست کارابین UIAA 121/EN 12275 پیروی نمودیم و آنها را با پین های با قطر 12 میلی متری کشیدیم [4].

نرخ نیرو برابر 50 میلی متر بر دقیقه بود. ثابت کننده بالایی همیشه در ارتفاع مشابهی شروع بکار می کرد.کارابین همیشه به سمت بالا بارگذاری می شد بصورتی که سمت درب به طرف چپ باشد.

 

محل آزمایش:

 

سطح ضربه:

 

نوار همراه با موقعیت ضربه:

 

تجهیزات Instron:

 

 نتایج و بحث:

استحکام شکست متوسط  یک انحراف استاندارد در جدول زیر نشان داده شده است. هیچ اختلاف معناداری بین نمونه شاهد و نمونه های سقوط کرده وجود نداشت.

 

استحکام نهایی متوسط (kN)

33 متر

12 متر7 متر

شاهد (صفر فوت)

26/6 0/5

(n=5)

27 0/3

(n=5)

27/4 0/6

(n=5)

27/1  0/3

(n=5)

آهنگری داغ

29/3 0/1

(n=5)

29/7  0/2

(n=5)

29/6 0/1

(n=5)

29/2  0/5

(n=5)

آهنگری سرد

 

داده های استحکام شکست از منحنی های نیرو-ازدیاد طول ثبت شده در LabView و استخراج شده در فرمت اکسل بدست آمده اند. دو نمونه از منحنی های نیرو-ازدیاد طول در زیر نشان داده شده اند. شما می توانید جایی را که قسمت درب به قلاب کارابین متصل می شود را ببینید، جایی که ناحیه الاستیک خطی پایان یافته و تغییر شکل پلاستیک آغاز می شود و جایی که تخریب رخ می دهد. تغییر شکل پلاستیک یک تغییر دائمی است. اگر نیرو قبل از رخداد تغییر شکل پلاستیک، رها شود، کارابین به طول اولیه خود برمی گردد.

 

سی و هفت نمونه از چهل نمونه از قسمت قلاب شکستند و سه نمونه نیز از پین (اتصال ضامن به بدنه)شکستند. محل تخریب یک مثال کامل از متغیرهای تجربی همراه با هم است- متغیری که اندازه گیری می شود اما کنترل نمی شود. از انجایی که یکی از نمونه های شاهد از قسمت پین دچار تخریب شده است و داده‌ها تحت تاثیر قرار گرفتن استحکام شکست را توسط ارتفاع سقوط نشان نمی دهند، به نظر می رسد که محل تخریب یک متغیر همراه است و نشانگر این نیست که ضربه کارابین را تضعیف می کند. تولید کننده تایید می کند که این متغیر حتی در تست کارابین های نو نیز نرمال است و ارتباطی با محل ضربه ندارد.

 

تخریب در قلاب

تخریب در پین و بدنه

 

بعد از اینکه کارابین ها سقوط کردند، فنر در پایه قسمت باز شونده تعدادی از کارابین ها از جای خود به بیرون پرتاب شد و باعث شد که قسمت دهنه دیگر کار نکند. بویژه، این اتفاق در سه تا از پنج نمونه آهنگری داغ شده که از ارتفاع 12 متری سقوط کرده بودند و در 4 نمونه از پنج نمونه آهنگری داغ شده سقوط کرده از ارتفاع 33 متری نیز رخ داد. این اتفاق در هیچکدام از کارابین های آهنگری سرد شده مشاهده نشد. ما قبل از تست این کارابین ها می توانستیم قسمت درب را فشار دهیم و آن را ببندیم.

 

مشاهدات فیلم برداری با سرعت بالا

از آنجایی که دوربین فقط قادر به ثبت از یک قاب بسیار کوچک است، امکان فیلم برداری همه ی سقوط‌ها وجود نداشت. ما 15 کلیپ را ذخیره نمودیم و از تعدادی از آنها سرعت کارابین ها را درست قبل از ضربه با برگرداندن لحظه به لحظه ی فیلم به عقب محاسبه نمودیم. در هر زمان کارابین دقیقا در نقطه مشابه نمی افتاد و همین باعث سخت شدن مقایسه آن با خط کش موجود در پس زمینه می شد بعلاوه، در زمان آزمایش هوا کمی بادی بود، بنابراین این محاسبات بسیار تقریبی هستند. سرعت‌ها در جدول زیر نشان داده شده اند.

 

سرعت درست قبل از ضربه (m ph)

ارتفاع سقوط

33 متری

12 متری

7 متری

43

30

30

محاسبات ویدئویی آزمایش 1

50

31

29

محاسبات ویدئویی آزمایش 2
573525تئوریکی

 

سرعت ضربه تئوریکی( با فرض عدم وجود مقاومت هوا) می تواند از معادله ی زیر محاسبه شود:

V=2gh

که در آن v سرعت ضربه، g شتاب جاذبه و h ارتفاع سقوط است [5]. در صورتی که مقاومت هوا وجود داشته باشد، کارابین بایستی اندکی آهسته تر سقوط کند که با سقوط هایی از ارتفاع 12 و 33 متری مطابق است. بوضوح خطاهایی در محاسبات سرعت ما از ارتفاع 7 متری  وجود دارد.

فیلم برداری از سقوط ‌ها فهم شگفت انگیزی را روشن نمود: هنگام ضربه درب کارابین باز شد. استحکام کارابینرها با در باز از 7 تا 10 کیلونیوتون متغیر است- نیروهایی که شما می توانید بصورت پتانسیلی در یک سقوط هدایت شده ایجاد کنید. در حالیکه بیشتر سقوط های هدایت شده در محدوده 2 تا 5 کیلو نیوتون هستند[6]، که حد زیادی را برای ایمنی باقی نمی گذارد. بوضوح، بهتر است که درب های کارابین بسته باقی بماند. ما هیچ کدام از کارابین های با درب سنجاقی را فیلم برداری نکردیم اما احتمالا دربهای سبکتر هنگام سقوط کمتر باز می شوند. فیلم برداری از آن و مشاهده اینکه در حقیقت این اتفاق رخ می دهد یا نه جالب خواهد بود. تفکر در این باره که شما یک سقوط هدایت شده داشته باشید و کارابین یا طناب محافظ شما به صخره برخورد بکند و باعث باز شدن در کارابین شود، ترسناک خواهد بود. جستجو درمجلات “حوادث در کوهنوردی آمریکای شمالی”تنی چند از موارد تخریب با کارابین های با درب باز را بدست خواهد داد [7,8]، اما تعیین اینکه آنها بدلیل فقط ضربه بوده اند یا لبه ی صخره باعث باز شدن درب شده است، مشکل است.

محدودیت‌ها و نتیجه گیری

هر تستی دارای محدودیت هایی است و آنچه که اهمیت دارد آگاهی از این محدودیت هاست. در ابتدا، داده‌ها چیزی درباره ی ضربه های تکرار شونده نشان نمی دهند. ما هر کارابین را فقط یکبار انداختیم. در یک آزمایش بسیار غیر علمی در آزمایشگاه، ما اجسام سنگین مختلفی را روی یک کارابین  انداختیم تا زمانی که بصورت قابل مشاهده تغییر شکل دهد. کارابین در نیروی 11 کیلو نیوتونی شکست، که برای استفاده در سنگ نوردی بسیار ضعیف است این نشان می دهد که در حقیقت شما می توانید به کارابین خود آسیب بزنید. هیچ گاه با کارابین تغییر شکل داده سنگ نوردی نکنید!

 

ما ارتفاع های بیشتر از 33 متر را مورد آزمایش قرار نداده ایم، نتایج این آزمایش لزوما نمی تواند برای درب های قفل شونده، سیمی، یا کارابین های فولادی بکار رود همچنین کارابین هایی با مواد و هندسه متفاوت ممکن است دارای نتایج متفاوتی باشد. برخی از انواع صخره‌ها از جمله گرانیت، دارای استحکام فشاری بالاتر از psi 3500 بتنی هستند که ما آنرا بکار بردیم و همین باعث نیرهای ضربه ای بزرگتری خواهد شد.

همچنین اندازه نمونه 5 عدد بهتر از یک عدد است، تعداد نمونه های بیشتر دقت بیشتری را فراهم کرده و منجر به عدم تصادفی بودن نتایج می شود. داده های نمونه های آهنگری داغ شده ی ما هماهنگی خوبی با متوسط اطلاعات تولید کننده داشت ولی داده های نمونه های آهنگری سرد شده 5/3 کیلونیوتن بیشتر از مقدار متوسط بود، این احتمالا بدلیل خطای کالیبراسیون دستگاه تست کشش هنگام بارگذاری روی نمونه‌ها بود با این حال، نتایج همچنان مرتبط به نظر می رسند- یک سقوط استحکام نهایی کارابین ها را تغییر نمی دهد.

سنگ نوردی ذاتا خطرناک است و هیچ دلیلی برای افزودن ریسک به آن با استفاده از تجهیزات نا امن وجود ندارد. بر اساس آزمایش های ما، به نظر می رسد که شما نبایستی درباره ی افتادن یک کارابین از ارتفاعی به بلندی ارتفاع کمر خود نگران باشید، به همانگونه ای که به من گفته شده بود. با این حال، اگر شما در تمامیت کارابین خود مشکوک هستید و بویژه اگر آسیب قابل مشاهده ای روی آن می بینید، فقط آنرا تعویض نمایید.

*ترجمه این مقاله صرفا به دلیل علاقه شخصی من به این موضوع بوده و باتوجه به تخصصی نبودن ترجمه قطعا دارای کاستی هایی از لحاظ ویرایش میباشد.

البرز مولانا – مدرس سنگ نوردی

جهت مشاهده ویدیو های آزمایش به لینک زیر مراجعه نمایید.

منابع :

http://www.outdoorsafetyinstitute.com/index.php/news/single/should_you_retire_a_dropped_carabiner/

مطالعات بیشتر :

https://fatcanyoners.org/2012/05/05/dropped-carabiners/

https://rockandice.com/climbing-gear-tips/is-dropped-gear-still-safe/

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *