Движението на автомобилите, тяхното спиране или сблъсъци са от гледна точка на механиката (поне на пръв поглед) прости процеси. Дори с основни познания по физика, можем да добием сравнително добра представа за тях. Ще видим много интуитивно познати неща от различен ъгъл и може би ще помислим за нашия начин на шофиране малко.

Спирачен път и какво му влияе

безопасност

Фиг. 1 Колелото на автомобил при шофиране без подхлъзване. Точката на контакт с пътя е в покой, така че има нулева скорост (а) спрямо нея. Колело на автомобил в плъзгане Всички точки на колелото се движат по отношение на пътя със същата скорост (b).

За да разберем по-добре какво влияе върху спирането на автомобила, нека разгледаме един прост пример. Да приемем, че автомобил с тегло 1000 кг има скорост 20 m/s (72 km/h). Коефициентът на статично триене между автомобилните гуми и сухия асфалт е 0,8, а коефициентът на кинематично триене е 0,4. Трябва да изчислим спирачния път на автомобила, в случай че колелата му не са се плъзнали и в случай на плъзгане.

Движението на автомобила по време на спиране се приема в учебниците като типичен случай на равномерно забавено движение. За него се отнасят прости връзки. Можете да следвате индивидуалните изчисления в математическото допълнение в края на статията. За силата на триене в нашия случай получаваме стойностите (отношение 1) 7848 N за статично триене ("неплъзгащо се") и 3924 N за кинематично триене (срязване).

Ускорението (ускорението е „само“ ускорението, което противоречи на посоката на първоначалната скорост, следователно ще говорим за ускорение) може лесно да бъде изчислено от втория закон за движение на Нютон. По посока на движение силата на триене е единствената сила, действаща върху автомобила. Ускорението на автомобила в този случай е постоянно (отношение 2) със стойности от 7,848 ms -2 и 3,294 ms -2. По-малка стойност е, разбира се, в случай на плъзгане. Оказва се, че ускорението на автомобил по време на спиране не зависи от теглото му, а само от коефициентите на триене (отношение 2). Следователно при първия подход няма значение дали спира автобусът, автомобилът или велосипедистът, всеки трябва да спира със същото ускорение (ако има еднакви качествени гуми). Този факт е добре да се помни, когато карате малко разстояние от камиона и разчитате на спиране по-скоро поради голямото му тегло. Въпреки че по-тежката кола има по-голяма инерция, тя има по-голяма сила на триене при спиране поради по-голямото си тегло.

Фиг. 2 Зависимост на спирачния път на автомобила от скоростта и от стойността на коефициента на триене µ.

От зависимостта на спирачния път от скоростта преди спиране и ускорение (отношение 3) може да се види, че спирачният път зависи квадратично от скоростта, с която започва спирането и обратно от коефициента на триене между гумите и пътя (фиг. 2). Увеличаването на спирачния път от скоростта е известен факт. Поради квадрата на скоростта (отношение 3), автомобилът спира с двойна скорост на четири пъти по-голямо разстояние (фиг. 2). Всъщност общият спирачен път е още по-голям, тъй като влиза в реакционното време на водача и автомобила - автомобилът се движи със същата скорост за известно време, преди да попречи, защото нито водачът, нито спирачната система могат да реагират веднага.

Спирачният път се увеличава с намаляването на коефициента на триене между гумите и пътя (фиг. 2). При идеални условия (сух грубозърнест асфалт и износена гума), ако автомобилът не се движи по време на буксуване, стойността на този коефициент е около 0,8. За специални гладки гуми дори 0,9. Срязването води до промяна на коефициента на триене от статичен на кинематичен, което намалява стойността му до 0,3 - 0,4. Метеорологичните условия имат радикален ефект върху стойностите на коефициента на триене. На мокър път стойността на статичния коефициент на триене намалява до 0,4 и по-малко. Коефициентът на кинематично триене намалява със същата пропорция. На лед ситуацията е още по-лоша и дори при спиране без плъзгане коефициентът на триене е 0,1 или по-малък. В този случай ABS също няма да подобри ситуацията. Тази система не може да увеличи стойността на коефициента на статично триене и само три неща ще помогнат на водача в такава ситуация преди сблъсък: ниска скорост, безопасно разстояние или чудо.

Производителите на гуми се стремят да произвеждат гуми с възможно най-висок коефициент на триене. Няма универсална гума за всякакви условия. Гумите без протектор са най-подходящи за сух път. Те обаче стават напълно неподходящи на мокрия път. Следователно гумите за нормално движение са оборудвани със система от канали за възможно най-добро оттичане на водата под гумата. Водният слой между гумата и асфалта драстично намалява коефициента на триене. Зимните гуми също се различават от летните гуми по състава на съединението, от което са направени. При по-ниски температури са по-подходящи по-меките смеси (така че да се придържат по-добре към студения асфалт), които биха се изхабили твърде бързо през лятото.

Популярна тема за разговори между шофьори е как да намалим скоростта, така че да спрем на възможно най-краткото разстояние. Понастоящем електрониката се справя с това като драйвер. Освен това средният водач не попада много често в гранични ситуации и няма необходимия опит с управлението на превозното средство (дори хиляди километри, изминати при нормален трафик, може да не са достатъчни). Следователно в случай на критична ситуация той обикновено е парализиран от страх и може да се използва само за инстинктивно максимално натискане на педала на спирачката.

Каква сила действа върху водача в случай на удар?

Според втория закон на Нютон силата, действаща върху водача, е право пропорционална на ускорението му. Следователно ускорението, което водачът трябва да претърпи в случай на удар, е един от решаващите фактори за оценка на тежестта на удара. В такива случаи ускорението се дава в кратни на гравитационното ускорение g = 9,81 ms -2 (приблизително 10 ms -2). Човешкото тяло е комбинация от тъкани с различна устойчивост на деформационна сила и по този начин на ускорение (забавяне). Ефектът от ускорението върху вас зависи от много фактори. Например, силен шамар води до локално ускорение от десетки до стотици g, но може да не причини никаква вреда. Дори ускорение от 16 g, действащо върху човек за минута, може да бъде фатално. Обучените военни пилоти могат да издържат на краткосрочни ускорения до границата от 10 g (при по-високи нива те изпадат в безсъзнание). Джон Стап, доброволец в ракетни изпитания през 1954 г., преживява ускорение от 46,2 g. До края на живота си той е доживял до 89 години, но поради този експеримент е имал проблеми със зрението. Полският пилот на F1 Робърт Кубица оцеля, практически без наранявания, с максимално ускорение от 75 g по време на ужасяващ инцидент в Монреал през 2007 г. (фиг. 3) (средното ускорение беше 28 g). По време на автомобилни катастрофи също е възможно да се оцелеят ускорения над 100 g, които обаче продължават само една хилядна от секундата.

Фиг. 3 Кубица, след контакт с Toyota на Ярно Трули, се блъска в бетонна преграда на Гран при на Канада през 2007 г., като на практика не спира при 300 км/ч през 2007 г. На следващия ден, след необходимо наблюдение, той е освободен от болницата.

Нека да разгледаме отново един прост пример: Представете си, че автомобил, движещ се със скорост 20 m/s, удря плътна бариера отпред. При удар се деформира с 40 см. Какво е средното ускорение, което колата ще се движи по време на катастрофа? Какви сили действат върху водач с тегло 80 кг?

Ако се интересуваме от средното ускорение, достатъчно е опростеното предположение, че движението на водача е равномерно забавено. Средното ускорение в този случай е почти 51 g (уравнение 4). Това обаче не означава, че това е максималното ускорение. Някои части на автомобила могат да се деформират по-лесно и ускорението е по-малко, докато деформацията на други части е по-голяма. Следователно максималното ускорение определено ще бъде по-голямо от стойността, която получихме.

За продължителността на сблъсъка бихме извлекли стойност от 0,04 s (уравнение 5). Следователно ускорението от 51 g има относително кратък ефект върху автомобила, но е наистина голяма стойност. Важното е, че ускорението при удар е квадратично зависимо от скоростта, с която е настъпил ударът (уравнение 4). Ако ударът се случи със скорост 10 m/s и деформацията на автомобила е еднаква, средното ускорение ще бъде само 12,74 g. При такова ускорение на дете с тегло 10 кг действа сила от 1250 N, което е приблизително теглото на 127 кг на човек. Ако държите детето на ръцете си, е почти невъзможно да го задържите с такава „ниска“ скорост при удар със скорост 50 км/ч. Ще трябва да държите детето със сила от 2411 N. Това е същото като поддържането на тегло от 256 кг. Някои казват, че детето в ръцете му е на сигурно място на задната седалка, поне в град, където не кара толкова бързо, греши, така че детски седалки и използването на седалка Следователно коланите на задните седалки са жизненоважни.

Фиг. 4 Зависимост на ускорението на автомобила в случай на челен удар върху неподвижно препятствие от дължината на спирачния път - разстоянието, което автомобилът изминава в случай на удар до пълното спиране. Показани са зависимости за различните скорости на удар.

От казаното дотук за въздействията става ясно, че дизайнерите на автомобили трябва да се опитат да направят автомобила така, че да се деформира плавно на възможно най-дългото разстояние в случай на удар (прекалено силната кола е опасна за екипаж). По време на тази деформация различните части на автомобила не трябва да излизат в кабината и по този начин да застрашават екипажа. Въздействието на членовете на екипажа върху препятствия, надвишаващи кабината на автомобила поради деформация, причинява до 50% от всички наранявания при автомобилни катастрофи.

Ситуацията се усложнява допълнително в случай на челен сблъсък. При този тип удар скоростта на автомобилите една срещу друга се събира и последиците са по-лоши. Освен това автомобилите често са несъвместими и някои части от една кола могат да причинят по-големи разрушения и да наранят екипажа в друга кола. А ситуацията при странични удари е още по-лоша, тъй като екипажът там не е защитен от относително дълъг и здрав преден капак. Дори предпазните колани не са много ефективни при странични удари. Поради това се използват различни подсилвания на страничните врати или допълнителни въздушни възглавници във вратата и т.н.

Колкото по-трудно, толкова по-добре

Фиг. 5 Сравнение на силите (силите се изразяват в килонутони kN = 1000 нютона), които действат върху водачите при челен сблъсък на две коли, в зависимост от съотношението на теглото на автомобилите N.

И да се изчисли. Да приемем, че водачът на първата (по-тежка) кола променя скоростта си от 20 m/s на v, без да променя посоката на движението си. Получената развалина ще се движи по посока на скоростта на по-тежък автомобил след сблъсъка. Водачът в другата кола променя посоката на движението си и скоростта му се променя от стойност 20 m/s в едната посока на стойност в другата посока. Елементарното изчисление определя скоростта на корабокрушението непосредствено след сблъсъка (уравнение 6). За силите, действащи върху водачите по време на сблъсъка, можем да извлечем формули (уравнения 8а, 8б), които показват, че колкото по-голямо е съотношението на тежестите на автомобила N, толкова по-голяма е силата, действаща върху водача на по-лек автомобил (фиг. 5) . От друга страна, водачът на по-тежък автомобил е под по-малко сила. Ако тежестите на двете коли са еднакви, силите, действащи върху проводниците, са еднакви. В граничния случай, когато m1 е много по-голям от m2, първият проводник ще бъде подложен на нулева сила, а вторият проводник ще бъде подложен на същата сила, както при удряне на твърда стена с двойна скорост.

Направихме изчислението за случай на челен сблъсък, но резултатът от него обикновено е валиден. Така че физиката потвърди добре известния факт, че колкото по-тежка е колата ви, толкова по-безопасни сте. По-тежките автомобили често са автомобили от по-висок клас. Следователно те разполагат и с по-добро оборудване, а пасивната и активна безопасност на екипажа се осигурява по-задълбочено. По-големите автомобили обикновено имат по-дълъг и по-масивен преден край на капака. Много пъти те имат различни рамки (особено камиони), които са изключително опасни за малка кола в случай на челен удар. Значителна разлика в размера на колелата (и следователно височината на превозното средство над пътя) заедно с голяма разлика в теглото и твърдостта на предните части на капака при сблъсъци с камиони В този случай спирачните сили, действащи върху камиона, са много малки, но последиците за екипажа на автомобила са фатални.

Фиг. 6 Несъответствието в теглото на автомобилите и тяхната конструкция често води до инциденти, при които екипажът на по-слаб автомобил няма шанс...

Така че, ако можете да избирате, карайте в най-тежките автомобили (голяма и скъпа кола, разбира се, не оправдава агресивното и безразсъдно шофиране), карайте бавно, обвързани, дори с всички и всички в кабината. Не намалявайте излишно способността си да реагирате с различни пристрастяващи вещества. Не забравяйте, че по-голямата част от другите шофьори искат да стигнат до дестинацията си в добро здраве и не приемат пътя като място, където трябва да докажат нещо, или да изхвърлят стреса и разочарованието от неуспешния ден (ако някой трябва да покаже какво момче/баба е, оставете го да се натовари правилно във фитнеса, да изтича до висок хълм, да отиде на триатлон - има възможност, когато той няма да убие невинни хора след грешката си). И ако сте млад мъж, по-добре се увлечете от майка си, съпруга, партньор или колега, защото младите мъже (неопитни, уверени и агресивни) са най-рисковата група, когато става въпрос за инциденти.