Jak zmačkané zóny fungují

Zmačkané zóny jsou navrženy tak, aby absorbovaly a redistribuovaly sílu srážky. Prohlédněte si další obrázky týkající se bezpečnosti automobilů. Produkce žlutých psů / obrázky Getty

Automobilová bezpečnost prošla v posledních několika desetiletích dlouhou cestou a jednou z nejúčinnějších inovací je zmačkaná zóna. Také známý jako rozdrcená zóna, deformační zóny jsou oblasti vozidla, které jsou navrženy tak, aby se při kolizi deformovaly a deformovaly. To pohlcuje část energie nárazu a brání jeho přenosu na cestující.

Udržet lidi v bezpečí při autonehodách samozřejmě není tak jednoduché jako zmačkání celého vozidla. Inženýři musí při navrhování bezpečnějších automobilů vzít v úvahu mnoho faktorů, včetně velikosti a hmotnosti vozidla, tuhosti rámu a napětí, kterému bude vozidlo pravděpodobně při nárazu vystaveno. Například závodní auta mají mnohem závažnější dopady než pouliční auta a SUV často havarují s větší silou než malá auta.

Zjistíme, jak zmačkané zóny přerozdělují síly, které se podílejí na srážce, z čehož zmačkané zóny jsou vyrobeny a dozví se o několika dalších pokročilých bezpečnostních systémech, které jsou právě testovány. Zjistíme také, jak se do závodních aut začleňují deformační zóny, a proč by bylo možné zabránit řadě úmrtí na závodech, pokud by tento sport přijal tyto bezpečnostní prvky dříve. Dokonce se podíváme na deformační zóny navržené tak, aby absorbovaly masivní dopad kolize vlaku.

Chcete-li zjistit síly vzniklé při srážce a zjistit, jak dobře navržená deformační zóna může minimalizovat zranění cestujících, přečtěte si následující stránku.

Co je v zmačkané zóně?

Specifika návrhů zmačkaných zón jsou obvykle vlastnictvím informací, které výrobci automobilů zdráhají prozradit. Mohou se velmi lišit v závislosti na velikosti a hmotnosti vozidla. Návrháři musí najít rovnováhu mezi příliš velkým rázovým odporem a příliš malým rázovým odporem. Jednoduché konstrukce mohou zahrnovat segmenty rámů vytvořené tak, aby se ohýbaly v určitých oblastech nebo se sbalily na sebe. Pokročilejší konstrukce mohou využívat různé kovy a další materiály pečlivě upravené tak, aby absorbovaly co nejvíce kinetické energie. Vysoce výkonná auta často používají voštinový design, který za normálních podmínek nabízí tuhost, ale při nehodě se může zhroutit a zmačkat.

Obsah

1. Síla nárazu
2. Kompromisy v designu
3. Prevence úmrtí v automatických závodech

Tato vozidla byla podrobena koliznímu testu ve výzkumném zařízení pro bezpečnost automobilů ve Wolfsburgu v Německu. Všimněte si, jak se zdá, že zmačkané zóny absorbovaly většinu dopadů. Peter Ginter / Getty Images

Kdykoli dojde k nehodě automobilu, pracují intenzivní kinetické síly. Při každém pádu je přítomna určitá síla. Skutečná čísla se liší v závislosti na rychlosti a hmotnosti vozidla a rychlosti a hmotnosti toho, na co narazí. Fyzici měří tuto sílu jako akcelerace -- i při přechodu z vysoké rychlosti na nižší rychlost je každá změna rychlosti v průběhu času vědecky označována jako zrychlení. Abychom se vyhnuli nejasnostem, budeme odkazovat na zrychlení pádu jako zpomalení.

Zmačkané zóny dosahují dvou bezpečnostních cílů. Snižují počáteční sílu nárazu a přerozdělují sílu před tím, než dorazí k cestujícím ve vozidle.

Nejlepší způsob, jak snížit počáteční sílu při nárazu s daným množstvím hmoty a rychlosti, je zpomalit zpomalení. Tento efekt jste viděli sami, pokud jste museli z nějakého důvodu zabouchnout brzdy. Síly, které zažíváte při nouzovém zastavení, jsou mnohem větší, než když postupně zpomalujete na semafor. Při kolizi může zpomalení zpomalení až o několik desetin sekundy způsobit drastické snížení zapojené síly. Síla je jednoduchá rovnice:

Síla = hmotnost * zrychlení

Snížení zpomalení na polovinu také sníží sílu na polovinu. Proto změna doby zpomalení z 0,2 sekundy na 0,8 sekundy povede ke 75% snížení celkové síly.

Zmačkané zóny to dosahují vytvořením nárazníkové zóny kolem obvodu automobilu. Některé části automobilu jsou ze své podstaty tuhé a odolné vůči deformacím, jako je například prostor pro cestující a motor. Pokud tyto tuhé části něco zasáhnou, zpomalí se velmi rychle, což má za následek velkou sílu. Obklopení těchto částí deformačními zónami umožňuje prvotním nárazům méně tuhé materiály. Jakmile se zmačkaná zóna začne zmačkat, auto začne zpomalovat a prodlužuje zpomalení o několik desetin sekundy navíc.

Zmačkané zóny také pomáhají redistribuovat sílu dopadu. Všechny síly musí někam jít - cílem je poslat je pryč od cestujících. Představte si sílu, která byla při havárii, jako rozpočet síly. Vše, co se stane s autem během nárazu a každý člověk uvnitř automobilu v okamžiku nárazu utrácí část síly. Pokud auto zasáhne nestacionární objekt, jako je zaparkované auto, je na tento objekt přenesena určitá síla. Pokud auto zasáhne něčím pohledem a roztočí se nebo se valí, velká část síly je vynaložena na točení a válcování. Pokud část vozu odlétá, je vynaloženo ještě více síly. A co je nejdůležitější, poškození samotného auta vynakládá sílu. Ohýbání částí rámu, rozbíjení panelů karoserie, rozbíjení skla - všechny tyto akce vyžadují energii. Přemýšlejte o tom, kolik síly je potřeba k ohnutí ocelového rámu automobilu. Toto množství síly je vynaloženo na ohýbání rámu, takže není nikdy přenášeno na cestující.

Zmačkané zóny jsou založeny na této koncepci. Části vozu jsou konstruovány se speciálními konstrukcemi, které jsou konstruovány tak, aby byly poškozené, zmačkané, rozdrcené a rozbité. Struktury stručně vysvětlíme samy, ale základní myšlenkou je, že k jejich poškození je nutná síla. Zmačkané zóny vynakládají co nejvíce síly, takže ostatní části vozu i cestující netrpí efekty.

Tak proč neudělat celé auto jako obrovskou deformační zónu? A pokud potřebujete prostor pro zmačkanou zónu, která pohltí nárazy, jak postavíte kompaktní vůz se zvlněnými zónami? Vysvětlíme vám to v další části.

-

Vynálezce zmačkané zóny

Béla Barényi byl inženýr a vynálezce, který většinu své kariéry strávil prací pro Daimler-Benz. Jeho jméno se objevuje na více než 2 500 patentech. Jeden z těchto patentů, vydaný v roce 1952, vysvětluje, jak by bylo možné auto navrhnout tak, aby oblasti vpředu a vzadu byly konstruovány tak, aby při nárazu deformovaly a absorbovaly kinetickou energii. Tento koncept použil v roce 1959 na Mercedes-Benz W111 Fintail, první vůz používající zmačkané zóny [zdroj: Německý patentový a ochranná známka].

Tento BMW zjevně utrpěl vážný dopad a zdá se, že je značně poškozen. Žádné poškození však nebylo v prostoru pro cestující - přední deformační zóna odvedla svou práci. Tim Graham / Getty Images

Absorpční a přesměrovací dopad je skvělý, ale nejedná se o jediný bezpečnostní problém, o který se automobiloví konstruktéři musí starat. Kabina pro cestující v automobilu musí odolat pronikání vnějšími předměty nebo jinými částmi automobilu a musí se držet pohromadě, aby cestující nebyli vyhozeni. Nemůžete učinit celé auto zvlněnou zónou, protože nechcete, aby se také zmačkali lidé v něm. Proto jsou automobily konstruovány s pevným a pevným rámem, který obklopuje cestující, s deformačními zónami vpředu a vzadu. Snížení síly a přerozdělení se provádí uvnitř prostoru pro cestující skrz

použití airbagů.

Existují některé části automobilů, které prostě nemohou zmačkat. Motor je hlavním pachatelem - ve většině vozidel je to velký těžký blok oceli. Žádné zmačkání tam. Totéž platí pro vozidla s hliníkovými bloky motoru. Někdy musí být automobily přepracovány, aby posunuly motor dále zpět do rámu, aby vyhovoval větší deformační zóně. To však může také způsobit problémy - pokud je motor při nárazu zatlačen zpět do prostoru pro cestující, může to způsobit zranění.

-Palivové nádrže a baterie v elektrických nebo hybridních vozidlech musí být také chráněny před nárazem, aby se zabránilo požáru nebo vystavení toxickým chemikáliím. Mohou být navrženy tak, aby část rámu chránila nádrž, ale tato část rámu se může ohýbat od nárazu. Například, je-li vůz vzadu, rám se ohne, zvedne plynovou nádrž z cesty a absorbuje určitý náraz. Novější auta mají systémy, které během nárazu přerušily přívod paliva do motoru, a vysoce výkonný elektrický vůz Tesla Roadster má bezpečnostní systém, který vypne baterie a vypustí veškerou elektrickou energii z kabelů, které běží v autě, když to cítí nouze [zdroj: Tesla Motors].

Samozřejmě je snadné zabudovat deformační zóny do velkého vozidla se spoustou prostoru pro zmačkání dříve, než dojde k nárazu do prostoru pro cestující. Navrhování zmačkaných zón do malých vozidel vyžaduje určitou kreativitu. Dobrým příkladem je inteligentní fortwo, extrémně malý

a efektivní vozidlo. Řidič a spolujezdec jsou uzavřeni v bezpečnostní komoře tridionu, ocelová konstrukce s vynikající tuhostí pro svou velikost. Geometrie je navržena tak, aby rozdělovala rázy po celém rámu. V přední a zadní části smart fortwo jsou inteligentní hovory crash boxy. Jedná se o malé ocelové konstrukce, které se zhroutí a zmačkají, aby absorbovaly nárazy. Protože jsou nárazové boxy tak malé, byly k jejich doplnění použity další prvky pohlcující nárazy. Převod může například působit jako tlumič nárazů v případě čelního nárazu. Krátký rozvor kola Fortwo znamená, že téměř jakýkoli náraz bude zahrnovat pneumatiky, kola a odpružení. Tyto komponenty byly navrženy tak, aby se deformovaly, odlamovaly nebo odrazily a pomohly absorbovat ještě více kinetické energie během nárazu [zdroj: smart USA].

Dále uvidíme, jak zmačkané zóny pomáhají udržet vašeho oblíbeného řidiče závodních aut naživu.

-

Zmačkané zóny ve vlacích

Mluvili jsme o neuvěřitelné kinetické síle při práci, když narazilo auto, ale představte si sílu, která nastane, když dojde ke srážce dvou vlaků. Díky obrovské hmotnosti vlaku může srážka vytvořit síly několik desítek nebo dokonce stokrát větší než síly při autonehodě. Přesto lze zmačkané zóny použít i za těchto extrémních okolností. Pomocí 3D počítačových simulací mohou inženýři vytvořit deformační zónu, která se během nárazu stabilně a rovnoměrně deformuje a absorbuje maximální možnou sílu. Zvlněné zóny se pak umístí na oba konce každého automobilu v osobním vlaku. V případě kolize rozdělí řetězová reakce vozů, které se do sebe vrazí, sílu rozloženou všemi deformačními zónami ve vlaku. To by mohlo absorbovat dost nárazových sil, aby se zabránilo zranění cestujících [zdroj: Design stroje].

Některé havárie, jako například ta, které se týkají řidiče Formule 1 Robert Kubica, vypadají velkolepě a děsivě. Ve skutečnosti zničení auta pravděpodobně zachránilo Kubičův život. DAVID BOILY / AFP / Getty Images

I když nejste fanouškem automobilových závodů, pravděpodobně jste viděli obrázky velkolepých havárií, při nichž se auta rozbíjejí po trati, házejí díly v každém směru, protože auto je doslova zničeno. Ovšem zázračně řidič vylezl z krouceného trosku a odešel bez zranění. Zatímco tyto havárie vypadají děsivě, všechno to velkolepé ničení utrácí kinetickou energii. Pravděpodobně nejde o zábavnou jízdu pro řidiče, ale auto dělá přesně to, co bylo v této situaci navrženo - chránit osobu na sedadle řidiče.

Byly také vzácné případy, kdy závodní auto narazilo na pevný objekt vysokou rychlostí, jako je havárie řidiče NASCAR Michaela Waltripa v Bristolu v roce 1990. Zasáhl tupý konec betonové zdi při závodních rychlostech a auto se náhle zastavilo velmi náhle . Náraz vytvořil obrovské síly, ale Waltripovi nebylo ublíženo. Důvod je evidentní při pohledu na zbytky jeho auta v ten den. Bylo to úplně a úplně zničeno. Veškerá ta síla byla vynaložena na zničení vozu. Je zřejmé, že incident šel daleko za schopnosti jakékoli zmačkané zóny a ve skutečnosti to byla prostě otázka štěstí, že nic nevniklo do prostoru řidiče, aby Waltripovi zranilo. Jeho přerozdělení zachránilo jeho život.

Následky nehody, která zabila Dale Earnhardta, Sr. Jeho auto, černá # 3, se nezdá být těžce poškozeno. Robert Laberge / Allsport / Getty Images

Proti tomuto konceptu však existuje nešťastný kontrapunkt. Od osmdesátých let do začátku dvacátých let minulého století došlo v důsledku příliš ztuhlého podvozku k mnoha úmrtím na závodech. Pravděpodobně nejznámější incident je smrt Dale Earnhardta Sr. v roce 2001 Daytona 500. Havárie se zpočátku nezdála být těžká a zdálo se, že auto neutrpělo rozsáhlé škody; to však byl přesně ten problém. Velká část nárazové síly byla přenesena přímo na řidiče a způsobila okamžitá a těžká zranění. Smrtelné zranění bylo bazální zlomeninou lebky, zraněním oblasti, kde se lebka a mícha spojují. Toto zranění je příčinou smrti při mnoha automobilových závodních nehodách a dochází k němu, když hlava při nárazu zaklapne dopředu, zatímco tělo zůstává zadrženo bezpečnostními pásy. Zatímco zádržná zařízení hlavy a krku snížily výskyt zlomenin lebky lebky, hlavní roli hrálo také snížení nárazových sil na řidiče..

Během tohoto období bylo zabito několik dalších známých řidičů, stejně jako méně známí řidiči v modifikovaných a zpožděných modelech NASCAR závodících na tratích po celých Spojených státech. Důvodem nárůstu smrtelných nehod bylo prostě snažení o vyšší výkon. Návrháři automobilů a posádky hledali lepší ovladatelnost vytvořením pevnějšího podvozku. To zahrnovalo přidání součástí do rámu, použití rovných rámových kolejnic a přechod na ocelové trubky se silnějšími stěnami. Jistě, učinili podvozek pevnějším, ale když tato neflexibilní auta narazila na zeď, nedalo se to. Automobilem žádná síla nebyla pohlcena - nejvíce dopadl na řidiče.

Ještě před Earnhardtovou smrtí v roce 2001 se závodní dráhy snažily najít řešení tohoto problému. Skladby na severovýchodě USA experimentovaly s obrovskými bloky průmyslových polystyrénových obkladů stěn, což je podobný koncept jako technologie měkkých stěn, která se dnes používá na mnoha superspeedways. Ještě důležitější je, že auta byla změněna. Na některých částech podvozku se nyní používají ocelové trubky s tenkým průřezem a rámové kolejnice mají ohyb nebo zářez, takže se při nárazu deformují poněkud předvídatelně.

NASCAR's Car of Tomorrow, používané v závodech Sprint Cup, má pěnu a další materiál absorbující náraz vložený do kritických oblastí rámu. Přestože automobilové závody budou vždy nebezpečným sportem, použití méně tuhé konstrukce podvozku, technologie měkkých stěn a zádržných systémů hlavy a krku výrazně snížily síly nárazu nárazu na řidiče.

Další informace o automobilových bezpečnostních zařízeních, závodních a dalších souvisejících tématech naleznete na odkazech na následující stránce.

-

Bezpečnostní jízda dolů

Společnost Volvo vyvíjí další technologii pohlcující dopady pro použití v malých autech. Sedadlo řidiče je připevněno k tomu, co je v zásadě saně na kolejnici, s tlumiči před ním. Při nárazu se celá „saní“ (včetně sedadla a řidiče) sklouzne dopředu až o 8 palců a tlumiče nárazů doslova vykonávají svou práci, čímž absorbují náraz nárazu. Současně se volant a část palubní desky sklouznou dopředu, aby se vytvořil prostor pro řidiče. V kombinaci s přední deformační zónou a případně airbagem by tento systém mohl výrazně snížit síly působící na řidiče při čelním nárazu [zdroj: Ford Motor Company].

Související články

• Jak funguje Crash Testing
• Proč je stále nutné srazit zkušební vozidla?
• Nechte nárazové testy někdy použít živé (nebo mrtvé) lidské obyvatele?
• Jak síla, síla, točivý moment a energie fungují
• Jak airbagy fungují
• Jak fungují protiblokovací brzdy
• Jak bezpečnostní pásy fungují
• Jak inteligentní auto funguje
• Jak NASCAR Race Cars fungují
• Jak NASCAR Safety funguje

Další skvělé odkazy

• Circle Track Magazine
• Materialworlds
• NASCAR

Prameny

• Akins, Ellen. „Bezpečnost v malých autech: Koncept Volvo Volvo Ride Down.“ Ford Motor Company. 12. ledna 2005. (1. srpna 2008) http://media.ford.com/newsroom/feature_display.cfm?release=19713
• Bolles, Bobe. "Stock Car Safety - opakovací kurz." Kruhová dráha. (1. srpna 2008) http://www.circletrack.com/safety/ctrp_0805_stock_car_safety/index.html
• Konstrukce stroje. „Zvrátí se havarijní zóna? Řekne FEA.“ 6. listopadu 2003. (31. července 2008) http://machinedesign.com/ContentItem/62566/WillthecrashzonecrumpleFEAtells.aspx
• Hmotné světy. "Účinky zmačkaných zón: narazí do zdi." (1. srpna 2008) http://www.materialworlds.com/sims/Crash/
• Chytrá USA. "Tvrdá skořápka s měkkým interiérem." (1. srpna 2008) http://www.smartusa.com/smart-fortwo-safety-design.aspx
• Tesla Motors. "Bezpečnost." (31. července 2008) http://www.teslamotors.com/design/safety.php
• Německý úřad pro patenty a ochranné známky. "Béla Barényi." (31. července 2008) http://www.dpma.de/ponline/erfindergalerie/e_bio_barenyi.html