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Die Zehenschutzkappe und Joule – Was ist das eigentlich?

So banal dieses kleine Teil bei Sicherheitsschuhen auch ist, so unglaublich wichtig ist die Zehenschutzkappe, da sie das wichtigste Schutzelement bei Sicherheitsschuhen darstellt und unsere Füße wirksam vor Verletzungen durch herunterfallende oder umfallende schwere Gegenstände schützt. Daneben schützt die Zehenschutzkappe wirksam vor Stößen gegen die Schuhspitze.

Was ist die Zehenschutzkappe?

Zehenschutzkappe - Integration in den Schuh

Die Zehenschutzkappe wird umgangssprachlich auch „Stahlkappe“ genannt, obwohl sie mittlerweile längst nicht immer aus Stahl bestehen muss. Es ist ein kuppelförmiges Element, das im vorderen Teil des Sicherheitsschuhs eingearbeitet ist und den Zehenbereich vor Quetschungen durch Gegenstände, die auf die Zehen fallen, schützt. Die Zehenschutzkappe schmiegt sich perfekt an den Vorderfußbereich an und umhüllt die Zehen der Trägerin oder des Trägers wie ein Schutzschild. Dabei soll man die Schutzkappe möglichst nicht während der täglichen Arbeit wahrnehmen.

 

Funktion der Zehenschutzkappe

Die Kappe soll den Fuß vor Verletzungen, die durch Quetschung des Zehenbereichs entstehen, schützen. Doch wie funktioniert die Zehenschutzkappe überhaupt? Woher kommt die Energie, die frei wird und die Zehenschutzkappe belastet? Was passiert beim Aufprall eines schweren Gegenstandes auf die Zehenschutzkappe? Betrachten wir dazu einmal den Fall eines Gegenstandes auf den Fuß genauer.

Nehmen wir mal an, der Gegenstand wiegt 20 kg und liegt auf Arbeitstischhöhe in 1 m Höhe. Er hat damit eine potenzielle Energie von 200 Joule. Hier geht’s schon los. Bevor wir weitermachen, müssen wir klären was Joule ist. Hierzu ein kleiner Ausflug…

Ausflug – Was ist Joule?

Wenn Sie den Artikel über Schutzklassen von Sicherheitsschuhen aufmerksam gelesen haben, wissen Sie, dass die Zehenschutzkappe eine Energie von 200 Joule unbeschadet überstehen muss. Doch was ist Joule eigentlich? Joule ist eine wissenschaftliche SI-Einheit für Energie jeglicher Art. Bestimmt kennen Sie den Begriff in Bezug auf Speisen. Die Nährwerttabelle gibt an, welchen Energiegehalt Speisen haben. Doch was ist Joule in Bezug auf Sicherheitsschuhe?

Bleiben wir ruhig bei den Speisen. Sie kennen ja alle eine Tafel Schokolade. Diese wiegt meist 100 Gramm. Wenn man diese Tafel Schokolade jetzt genau um 1 m auf den Tisch anhebt, verrichtet man eine Arbeit von 1 Joule. Dieses 1 Joule ist dann in der Tafel Schokolade in Form von potenzieller Energie (Lageenergie) gespeichert. Jetzt fällt die Tafel Schokolade einem auf den Fuß auf die Zehenschutzkappe. Dann wird dieses 1 Joule an Energie wieder frei und belastet die Schutzkappe. Wenn Ihnen jetzt 200 Tafeln Schokolade gleichzeitig auf den Fuß fallen, hätten Sie theoretisch die maximal zulässige Energiebelastung auf die Zehenschutzkappe. Nämlich genau 200 Joule. Wieviel wiegen 200 Tafeln Schokolade? 20 kg. Und damit sei dieser kurze Ausflug beendet. 🙂

Weiter mit dem Praxisbeispiel

m = Masse des Gegenstandes

g = Erdbeschleunigung (vereinfacht g = 10 m/s²)

h = Höhe, auf der der Gegenstand liegt.

Die potenzielle Energie des Gegenstands beträgt also m * g * h  = 20 kg * 10 m/s² * 1 m = 200 J. Dann stößt man den Gegenstand aus Unachtsamkeit vom Tisch und er fällt herunter auf den Fuß. Diesen Sturz kann man als freien Fall bezeichnen. Der Körper wird beschleunigt und nimmt Geschwindigkeit auf. Beim Aufprall auf die Schutzkappe muss die gespeicherte potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt werden.

Auf die Zehenschutzkappe wirkt also eine Verformungsenergie von 200 Joule. Diesen Wert muss sie aushalten. Je nach Beschaffenheit des Gegenstandes wird die Kunststoff- oder Lederhaut des Schuhs mehr oder weniger zerstört. Die Zehenschutzkappe verhindert aber Schlimmeres, da der Gegenstand an ihr abprallt, ohne den Zehenbereich zu zerquetschen.

Liegt die Belastung nahe den 200 Joule kann sich die Zehenschutzkappe aber auch leicht verformen und damit die Energie aufnehmen. Hierbei darf aber keinesfalls eine Quetschung des Fußes durch die Schutzkappe entstehen.

Weitere Informationen über die Einheit Joule finden Sie auch in diesem Wikipedia Artikel.

Praxisfallbeispiele

Damit Sie ein Gefühl bekommen, was eine Zehenschutzkappe aushält und was nicht, hier nun einige Fallbeispiele:

1 kg schwerer Gegenstand fällt aus 10 m Höhe auf den Fuß: E = 100 Joule keine Gefahr

3 kg schwerer Gegenstand fällt aus 10 m Höhe auf den Fuß: E = 300 Joule Gefahr!

3 kg schwerer Gegenstand fällt aus 5 m Höhe auf den Fuß: E = 150 Joule keine Gefahr

700 g schwere Zange fällt aus 40 m Höhe (Kran) auf den Fuß: E = 280 Joule Gefahr!

50 kg schwerer Betonpfeiler (2 m  lang) fällt um und am Ende auf den Fuß : E = 1000 Joule Gefahr!

Material und Gewicht der Zehenschutzkappe

Die Kappe kann aus verschiedenen Materialien bestehen. Jedes Material hat Vorteile und auch Nachteile. Die Wahl des Materials wirkt sich hauptsächlich auf das Gewicht aus. Hier hat Stahl natürlich im negativen Sinne die Nase vorne und ist am schwersten. Danach folgt Aluminium und dann Kunststoff. Titan, Carbon (CFK) und glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) gehören dagegen schon zu den leichtesten Materialien und werden zunehmend beliebter, da sie sehr leicht sind.

Zehenschutzkappe - Form

Die gewünschte „Betriebsfestigkeit“ oder auch Widerstandfähigkeit ist auch zu beachten. Hier gibt es sehr widerstandsfähige Stahlkappenschuhe und auch weniger widerstandsfähige, dafür leichtere Schuhe mit Kappen aus Kunststoff. Aber auch die Langlebigkeit eines Schuhs kann durch entsprechende Materialwahl beeinflusst werden, indem man z.B keine Stahlkappe verbaut, die auf lange Sicht rosten kann, sondern stattdessen eine Kunststoffkappe.

Nichtzuletzt bestimmt natürlich das Material maßgeblich den Preis für den Endkunden. Hierbei ist Stahl das günstigste Material, weil eine Stahlkappe leicht hergestellt werden kann und Carbon und GFK das teuerste, weil der Herstellungsprozess hier sehr aufwändig ist. Zudem sind Kohlefasern und Glasfasern nicht der billigste Werkstoff.

Kurz & knapp: Das zeichnet die Materialien aus: Vorteile + und Nachteile -

Stahl

Sehr widerstandsfähig, kann nicht brechen

günstig, weil leicht herstellbar

hohes Gewicht

kann rosten

Alu

rostet nicht

verformt sich stark, Schuh danach unbrauchbar

Kunststoff

leicht

teurer als Stahl oder Aluminium, da spezieller Kunststoff verwendet werden muss

nicht ganz so widerstandsfähig, kann brechen, Schuh ist dann unbrauchbar

Titan

Extrem widerstandsfähig, kann nicht brechen

leicht

teuer

Carbon/GFK

Extrem widerstandsfähig, kann nicht brechen

sehr leicht

sehr teuer durch aufwändigen Herstellungsprozess

Zehenschutzkappe als Überziehschuhe

Zehenschutzkappe - Überziehschuhe mit Zehenschutzkappe

Zehenschutzkappe - Schild Überziehschuhe

Es gibt auch sogenannte Überziehschuhe mit Schutzkappe. Sie bestehen aus einem elastischen Band, an dem eine Zehenschutzkappe integriert ist. Dies ist vor allem für Besucher von Bereichen interessant, die hier eigentlich Sicherheitsschuhe tragen müssen. Sie binden sich die Überziehschuhe einfach an ihre normalen Straßenschuhe und sind dann temporär für die Zeit ihres Aufenthalts in dem geschützen Bereich vor Unfällen gesichert.