Mișcarea mașinilor, frânarea sau coliziunile acestora sunt din punct de vedere mecanic (cel puțin la prima vedere) procese simple. Chiar și cu cunoștințe de bază despre fizică, putem avea o idee relativ bună despre ele. Vom vedea multe lucruri familiare intuitiv dintr-un unghi diferit și poate ne vom gândi puțin la modul nostru de a conduce.

Distanța de frânare și ce o afectează

rutieră

FIG. 1 Roata mașinii când conduceți fără a aluneca. Punctul de contact cu drumul este în repaus, deci are viteza zero (a) în raport cu acesta. Roata mașinii în derapaj. Toate punctele roții se mișcă față de drum cu aceeași viteză (b).

Pentru a înțelege mai bine ce afectează frânarea mașinii, să ne uităm la un exemplu simplu. Să presupunem că o mașină care cântărește 1000 kg are o viteză de 20 m/s (72 km/h). Coeficientul de frecare statică dintre anvelopele auto și asfaltul uscat este de 0,8, iar coeficientul de frecare cinematică este de 0,4. Ar trebui să calculăm distanța de frânare a mașinii în cazul în care roțile nu au alunecat și în cazul derapării.

Mișcarea mașinii în timpul frânării este luată în manuale ca un caz tipic de mișcare încetinită uniform. Pentru el se aplică relații simple. Puteți urmări calculele individuale în suplimentul matematic de la sfârșitul articolului. Pentru forța de frecare în cazul nostru obținem valorile (relația 1) 7848 N pentru fricțiunea statică ("antiderapantă") și 3924 N pentru fricțiunea cinematică (forfecare).

Accelerația (decelerarea este „numai” accelerația care merge împotriva direcției vitezei inițiale, deci vom vorbi despre accelerație) poate fi ușor calculată din a doua lege a mișcării lui Newton. În direcția mișcării, forța de frecare este singura forță care acționează asupra mașinii. Accelerația mașinii în acest caz este constantă (relația 2) cu valori de 7.848 ms -2 și 3.294 ms -2. O valoare mai mică este, desigur, în cazul derapajului. Se pare că accelerația unei mașini în timpul frânării nu depinde de greutatea acesteia, ci doar de coeficienții de frecare (relația 2). Prin urmare, la prima abordare, nu contează dacă autobuzul, mașina sau ciclistul frânează, toată lumea ar trebui să frâneze cu aceeași accelerație (dacă au anvelope de aceeași calitate). Acest fapt este bine de reținut atunci când conduceți la o distanță scurtă de camion și vă bazați pe frânare mai devreme datorită greutății sale mari. Deși mașina mai grea are mai multă inerție, are o forță de frecare mai mare la frânare datorită greutății sale mai mari.

FIG. 2 Dependența distanței de frânare a mașinii de viteză și de valoarea coeficientului de frecare µ.

Din dependența distanței de frânare de viteza înainte de frânare și accelerație (relația 3), se poate observa că distanța de frânare depinde cvadrat de viteza la care începe frânarea și invers de coeficientul de frecare dintre anvelope și drum (fig. 2). Creșterea distanței de frânare față de viteză este un fapt cunoscut. Datorită pătratului vitezei (relația 3), mașina se oprește la viteza de două ori pe o distanță de patru ori mai mare (Fig. 2). De fapt, distanța totală de frânare este chiar mai mare, deoarece intră în timpul de reacție al șoferului și al mașinii - mașina se mișcă cu aceeași viteză pentru o perioadă de timp înainte de a intra în cale, deoarece nici șoferul, nici sistemul de frânare nu pot reacționa imediat.

Distanța de frânare crește odată cu scăderea coeficientului de frecare dintre anvelope și drum (Fig. 2). În condiții ideale (asfalt cu granulație uscată și anvelopă uzată), dacă mașina nu se mișcă în timpul derapării, valoarea acestui coeficient este de aproximativ 0,8. Pentru anvelope speciale netede chiar și 0,9. Forfecarea determină schimbarea coeficientului de frecare de la static la cinematic, care scade valoarea acestuia la 0,3 - 0,4. Condițiile meteo au un efect radical asupra valorilor coeficientului de frecare. Pe un drum umed, valoarea coeficientului static de frecare scade la 0,4 și mai puțin. Coeficientul de frecare cinematic scade în aceeași proporție. Pe gheață, situația este chiar mai gravă și chiar și atunci când frânează fără derapaj, coeficientul de frecare este de 0,1 sau mai puțin. În acest caz, nici ABS nu va îmbunătăți situația. Acest sistem nu poate crește valoarea coeficientului de frecare statică și doar trei lucruri îl vor ajuta pe șofer într-o astfel de situație înainte de o coliziune: viteză redusă, distanță de siguranță sau miracol.

Producătorii de anvelope se străduiesc să producă anvelope cu cel mai mare coeficient de frecare posibil. Nu există o anvelopă universală pentru toate condițiile. Anvelopele fără bandă de rulare sunt cele mai potrivite pentru un drum uscat. Cu toate acestea, devin complet nepotrivite pe drumul umed. Anvelopele pentru trafic normal sunt, prin urmare, echipate cu un sistem de caneluri pentru o drenare cât mai bună a apei de sub anvelopă. Stratul de apă dintre anvelopă și asfalt reduce dramatic coeficientul de frecare. Anvelopele de iarnă diferă și de anvelopele de vară prin compoziția compusului din care sunt fabricate. La temperaturi mai scăzute, amestecurile mai moi sunt mai potrivite (astfel încât să adere mai bine la asfaltul rece), care s-ar uza prea repede vara.

Un subiect popular pentru conversațiile dintre șoferi este cum să încetinim, astfel încât să ne oprim pe cea mai mică distanță posibilă. În mare măsură, electronica se ocupă în prezent de acest lucru ca driver. În plus, șoferul mediu nu intră foarte des în situații limită și nu are experiența necesară cu conducerea vehiculului (chiar și mii de kilometri parcurși în trafic normal ar putea să nu fie suficienți). În cazul unei situații critice, de aceea este de obicei paralizată de frică și poate fi utilizată doar pentru depresia instinctivă maximă a pedalei de frână.

Ce forță acționează asupra șoferului în cazul unui impact?

Conform celei de-a doua legi a lui Newton, forța care acționează asupra unui șofer este direct proporțională cu accelerația sa. Accelerarea pe care trebuie să o experimenteze șoferul în cazul unui impact este, prin urmare, unul dintre factorii decisivi în evaluarea gravității impactului. În astfel de cazuri, accelerația este dată în multipli ai accelerației gravitaționale g = 9,81 ms -2 (aproximativ 10 ms -2). Corpul uman este o combinație de țesuturi cu rezistență diferită la forța de deformare și, astfel, la accelerație (decelerare). Efectul accelerației asupra dvs. depinde de mulți factori. De exemplu, o palmă puternică duce la o accelerație locală de zeci la sute de g, dar nu poate provoca vătămări. Chiar și o accelerație de 16 g, care acționează asupra unei persoane într-un minut, poate fi fatală. Piloții militari instruiți pot rezista accelerațiilor pe termen scurt până la limita de 10 g (la niveluri superioare cad inconștiente). John Stapp, voluntar la testele de rachete în 1954, a înregistrat o accelerare de 46,2 g. Până la sfârșitul vieții sale, a trăit până la 89 de ani, dar datorită acestui experiment a avut probleme de vedere. Pilotul polonez Robert Kubica a supraviețuit, practic fără răni, la o accelerație maximă de 75 g în timpul unui accident îngrozitor din Montreal în 2007 (Fig. 3) (accelerația medie a fost de 28 g). În timpul accidentelor de mașină, este, de asemenea, posibil să supraviețuim accelerațiilor de peste 100 g, care, totuși, durează doar o miime de secundă.

FIG. 3 Kubica, după contactul cu Toyota al lui Jarno Trulli, se prăbușește într-o barieră de beton la Marele Premiu al Canadei în 2007, practic fără frânare la 300 km/h în 2007. A doua zi, după observarea necesară, a fost eliberat din spital.

Să ne uităm din nou la un exemplu simplu: imaginați-vă că o mașină care circulă cu o viteză de 20 m/s lovește o barieră solidă din față. Se deformează cu 40 cm la impact. Care este accelerația medie pe care o va deplasa mașina în timpul unui accident? Ce forțe acționează asupra unui șofer care cântărește 80 kg?

Dacă suntem interesați de accelerația medie, este suficientă presupunerea simplificată că mișcarea șoferului a fost încetinită uniform. Accelerația medie în acest caz este de aproape 51 g (ecuația 4). Cu toate acestea, acest lucru nu înseamnă că este accelerația maximă. Unele părți ale mașinii se pot deforma mai ușor, iar accelerația este mai mică, în timp ce deformarea altor părți este mai mare. Prin urmare, accelerația maximă va fi cu siguranță mai mare decât valoarea pe care am obținut-o.

Pentru durata coliziunii, vom obține o valoare de 0,04 s (ecuația 5). Accelerația de 51 g are, prin urmare, un efect relativ scurt asupra mașinii, dar este o valoare cu adevărat mare. Important, accelerația la impact depinde în mod cvadrat de viteza cu care s-a produs impactul (ecuația 4). Dacă impactul a avut loc la o viteză de 10 m/s și deformarea mașinii ar fi aceeași, accelerația medie ar fi de numai 12,74 g. La o astfel de accelerație, o forță de 1250 N acționează asupra unui copil care cântărește 10 kg, ceea ce reprezintă aproximativ greutatea de 127 kg a unei persoane. Dacă țineți copilul pe mâini, este aproape imposibil să îl țineți la o viteză atât de "mică" atunci când este afectat la o viteză de 50 km/h. Ar trebui să îl țineți pe copil cu o forță de 2411 N. Aceasta este la fel ca menținerea unei greutăți de 256 kg. Unii spun că copilul din mâinile sale este în siguranță pe bancheta din spate, cel puțin într-un oraș în care nu conduce atât de repede, greșește, așa că scaunele pentru copii și utilizarea scaunului centurile de pe scaunele din spate sunt, prin urmare, vitale. alte echipamente neatasate și încărcături în cabina mașinii, ceea ce devine un pericol mortal pentru echipaj în cazul unui impact la o viteză relativ mică, reducând semnificativ șansele de supraviețuire.

FIG. 4 Dependența de accelerația mașinii în cazul unui impact frontal asupra unui obstacol staționar de la lungimea distanței de frânare - distanța parcursă de mașină în cazul unui impact până când aceasta se oprește complet. Sunt prezentate dependențele pentru diferite viteze de impact.

Din ceea ce am spus până acum despre impacturi, este clar că proiectanții de mașini ar trebui să încerce să facă mașina astfel încât să se deformeze lin pe cea mai mare distanță posibilă în cazul unui impact (o mașină care este prea puternică este periculoasă pentru echipaj). În timpul acestei deformări, diferitele părți ale mașinii nu trebuie să iasă în cabină și astfel să pună în pericol echipajul. Impactul membrilor echipajului asupra obstacolelor care depășesc cabina mașinii din cauza deformării provoacă până la 50% din toate rănile în accidente de mașină.

Situația este și mai complicată în cazul unei coliziuni frontale. Cu acest tip de impact, viteza mașinilor una împotriva celeilalte este adăugată și consecințele tind să fie mai grave. În plus, mașinile sunt adesea incompatibile și o parte a unei mașini poate provoca distrugeri mai extinse și poate răni echipajul într-o altă mașină. Iar situația în cazul impacturilor laterale este și mai gravă, deoarece echipajul de acolo nu este protejat de o capotă frontală relativ lungă și solidă. Chiar și centurile de siguranță nu sunt foarte eficiente în cazul impacturilor laterale. Prin urmare, sunt utilizate diverse armături laterale ale ușilor sau airbag-uri suplimentare în ușă etc.

Cu cât este mai greu cu atât mai bine

FIG. 5 Comparația forțelor (forțele sunt exprimate în kilonewtoni kN = 1000 newtoni), care acționează asupra șoferilor în coliziunea frontală a două mașini, în funcție de raportul dintre greutatea mașinilor N.

Și să calculez. Să presupunem că șoferul primei mașini (mai grele) își schimbă viteza de la 20 m/s la v, fără a schimba direcția mișcării sale. Epava rezultată se va deplasa în direcția vitezei unei mașini mai grele după coliziune. Șoferul din cealaltă mașină își schimbă direcția de mișcare, iar viteza sa se schimbă de la o valoare de 20 m/s într-o direcție la o valoare în cealaltă direcție. Calculul elementar determină rata de epavă a mașinii imediat după coliziune (ecuația 6). Pentru forțele care acționează asupra șoferilor în timpul coliziunii, putem obține formule (ecuațiile 8a, 8b) care arată că cu cât este mai mare raportul dintre greutățile mașinii N, cu atât este mai mare forța care acționează asupra șoferului unei mașini mai ușoare (Fig. 5) . Pe de altă parte, șoferul unei mașini mai grele se află sub o forță mai mică. Dacă greutățile ambelor mașini sunt aceleași, forțele care acționează asupra conductoarelor sunt aceleași. În cazul limită, atunci când m1 este mult mai mare decât m2, primul conductor va fi supus la forță zero, iar al doilea conductor va fi supus la aceeași forță ca atunci când lovește un perete solid la viteza de două ori.

Am făcut calculul pentru cazul unei coliziuni frontale, dar rezultatul său este în general valid. Așa că fizica a confirmat binecunoscutul fapt că cu cât mașina ta este mai grea, cu atât ești mai sigur. Mașinile mai grele sunt adesea mașini de clasă superioară. Prin urmare, au și echipamente mai bune, iar siguranța pasivă și activă a echipajului este asigurată mai detaliat. Mașinile mai mari au de obicei un capăt mai lung și mai masiv al capotei. De multe ori au cadre diferite (în special camioane), care sunt extrem de periculoase pentru o mașină mică în cazul unui impact frontal. O diferență semnificativă între dimensiunile roților (și, prin urmare, înălțimea vehiculului deasupra drumului), împreună cu o diferență mare în greutatea și rigiditatea părților frontale ale capotei în cazul coliziunilor cu camioanele, cauzează adesea o situație în care o mașină este ascunsă sub un camion (Fig. 6). Forțele de frânare care acționează asupra camionului sunt foarte mici în acest caz, dar consecințele pentru echipajul mașinii sunt fatale.

FIG. 6 Disparitatea în greutatea mașinilor și a construcției acestora duce adesea la accidente în care echipajul unei mașini mai slabe nu are nicio șansă...

Deci, dacă puteți alege, conduceți în cele mai grele mașini (o mașină mare și scumpă, desigur, nu justifică conducerea agresivă și nesăbuită), conduceți încet, legat, chiar și cu toată lumea și cu toți cei din cabină. Nu vă reduceți inutil capacitatea de a reacționa cu o varietate de substanțe dependente. Amintiți-vă că marea majoritate a altor șoferi doresc să ajungă la destinație cu o stare de sănătate bună și nu iau drumul ca pe un loc unde trebuie să demonstreze ceva sau să evacueze stresul și frustrarea unei zile eșuate (dacă cineva trebuie să arate ce un tip/bunica este, lasă-l să se încarce corect în sala de gimnastică, aleargă pe un deal înalt, merge la un triatlon - există posibilitatea ca el să nu omoare oameni nevinovați după greșeala lui). Și dacă sunteți un tânăr, mai bine vă lăsați purtați de mama, soția, partenerul sau colegul dvs., deoarece bărbații tineri (neexperimentați, încrezători și agresivi) sunt grupul cel mai riscant în ceea ce privește accidentele.