Bezpečnost automobilů ušla za posledních několik desetiletí dlouhou cestu a jednou z nejúčinnějších inovací je deformační zóna . Také známá jako zóna tlačenice deformační zóny jsou oblasti vozidla, které jsou navrženy tak, aby se při srážce deformovaly a zmačkaly. To pohltí část energie nárazu a zabrání jejímu přenosu na cestující.
Udržet lidi v bezpečí při autonehodách samozřejmě není tak jednoduché, jako zmačkat celé vozidlo. Inženýři musí při navrhování bezpečnějších vozů vzít v úvahu mnoho faktorů, včetně velikosti a hmotnosti vozidla, tuhosti rámu a namáhání, kterému bude vůz pravděpodobně vystaven při nehodě. Například závodní auta zažívají mnohem závažnější nárazy než auta na ulici a SUV často havarují s větší silou než malá auta.
Zjistíme, jak deformační zóny přerozdělují síly spojené s havárií, z čeho jsou deformační zóny vyrobeny a dozvíme se o několika dalších pokročilých bezpečnostních systémech, které se právě testují. Zjistíme také, jak byly deformační zóny začleněny do závodních vozů a proč by se dalo předejít řadě smrtelných úrazů při závodech, kdyby tento sport přijal tyto bezpečnostní prvky dříve. Podíváme se dokonce na deformační zóny navržené tak, aby absorbovaly masivní nárazy srážky vlaků.
Chcete-li zjistit síly spojené s kolizí a zjistit, jak může dobře navržená deformační zóna minimalizovat zranění cestujících, přečtěte si následující stránku.
Co je v deformační zóně?Specifika designů deformačních zón jsou obvykle chráněné informace, které se výrobci automobilů zdráhají prozradit. Mohou se značně lišit v závislosti na velikosti a hmotnosti vozidla. Návrháři musí najít rovnováhu mezi příliš vysokou odolností proti nárazu a příliš nízkou odolností proti nárazu. Jednoduché návrhy mohou zahrnovat segmenty rámu vytvořené tak, aby se ohýbaly v určitých oblastech nebo se skládaly do sebe. Pokročilejší konstrukce mohou využívat různé kovy a další materiály pečlivě navržené tak, aby absorbovaly co nejvíce kinetické energie. Vysoce výkonná auta často používají voštinovou konstrukci, která za normálních podmínek nabízí tuhost, ale při nárazu se může zhroutit a zkroutit.
Obsah
Kdykoli dojde k havárii automobilu, působí intenzivní kinetické síly. Při jakékoli havárii je přítomno dané množství síly. Skutečná čísla se liší v závislosti na rychlosti a hmotnosti vozu a rychlosti a hmotnosti čehokoli, co narazí. Fyzici měří tuto sílu jako zrychlení -- i když se pohybujete z vysoké rychlosti na nižší, jakákoli změna rychlosti v průběhu času je vědecky označována jako zrychlení. Abychom se vyhnuli nejasnostem, budeme zrychlení havárií označovat jako zpomalení .
Deformační zóny splňují dva bezpečnostní cíle. Snižují počáteční sílu nárazu a přerozdělují sílu předtím, než se dostane k cestujícím ve vozidle.
Nejlepší způsob, jak snížit počáteční sílu při nárazu s danou hmotností a rychlostí, je zpomalit zpomalení. Sami jste tento efekt viděli, pokud jste museli z jakéhokoli důvodu dupnout na brzdu. Síly, které zažíváte při nouzovém zastavení, jsou mnohem větší, než když postupně zpomalujete na semafor. Při kolizi může zpomalení zpomalení dokonce o několik desetin sekundy způsobit drastické snížení vynaložené síly. Síla je jednoduchá rovnice:
Snížením zpomalení na polovinu se také sníží síla na polovinu. Proto změna doby zpomalení z 0,2 sekundy na 0,8 sekundy povede k 75procentnímu snížení celkové síly.
Deformační zóny toho dosahují vytvořením nárazníkové zóny po obvodu vozu. Některé části vozu jsou ze své podstaty tuhé a odolné vůči deformaci, jako je prostor pro cestující a motor. Pokud tyto tuhé části do něčeho narazí, velmi rychle zpomalí, což má za následek velkou sílu. Obklopení těchto částí deformačními zónami umožňuje méně tuhým materiálům přijmout první náraz. Auto začne zpomalovat, jakmile se deformační zóna začne mačkat, čímž se zpomalení prodlouží o několik dalších desetin sekundy.
Deformační zóny také pomáhají redistribuovat sílu nárazu. Veškerá síla musí někam jít – cílem je poslat ji pryč od okupantů. Představte si sílu zapojenou do havárie jako rozpočet sil. Vše, co se děje s vozem při nárazu, a každý člověk uvnitř vozu v době nárazu vynakládá část síly. Pokud auto narazí na nestacionární objekt, jako je zaparkované auto, pak se na tento objekt přenese určitá síla. Pokud auto do něčeho narazí letmým úderem a roztočí se nebo se převalí, velká část síly je vynaložena na otáčení a kutálení. Pokud části vozu odletí, vynaloží se ještě větší síla. A co je nejdůležitější, poškození auta samo o sobě 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 auta. Toto množství síly je vynaloženo na ohýbání rámu, takže se nikdy nepřenáší na cestující.
Na tomto konceptu jsou založeny deformační zóny. Části vozu jsou vyrobeny se speciálními strukturami uvnitř, které jsou navrženy tak, aby byly poškozené, zmačkané, rozdrcené a rozbité. Brzy si vysvětlíme samotné struktury, ale základní myšlenkou je, že k jejich poškození je potřeba síla. Deformační zóny vynaloží maximální možnou sílu, aby účinky neutrpěly ostatní části vozu ani cestující.
Proč tedy neudělat z celého auta jednu obrovskou deformační zónu? A pokud potřebujete prostor pro deformační zónu, která absorbuje náraz, jak postavíte kompaktní auto s deformačními zónami? Vysvětlíme v další části.
Vynálezce deformační zóny
Béla Barényi byl inženýr a vynálezce, který většinu své kariéry strávil prací pro Daimler-Benz. Jeho jméno se objevuje na více než 2500 patentech. Jeden z těchto patentů, vydaný v roce 1952, vysvětluje, jak by mohlo být navrženo auto s oblastmi vpředu a vzadu vytvořenými tak, aby se deformovaly a absorbovaly kinetickou energii při nárazu. Tento koncept použil v roce 1959 na Mercedes-Benz W111 Fintail, prvním voze, který používal deformační zóny [zdroj:Německý úřad pro patenty a ochranné známky].
Absorbování a přesměrování dopadu je skvělé, ale není to jediný bezpečnostní problém, kterého se musí konstruktéři automobilů obávat. Prostor pro cestující ve voze musí odolávat pronikání vnějších předmětů nebo jiných částí vozu a musí držet pohromadě, aby cestující nebyli vymrštěni ven. Z celého auta nemůžete udělat zmačkanou zónu, protože nechcete, aby se zmačkali i lidé uvnitř. Proto jsou vozy konstruovány s tuhým a pevným rámem obepínajícím cestující s deformačními zónami vpředu a vzadu. Snížení a přerozdělení síly se provádí uvnitř prostoru pro cestující pomocí
používání airbagů.
Jsou části aut, které se prostě nemohou zmačkat. Hlavním pachatelem je motor – ve většině vozidel je motorem velký, těžký blok oceli. Žádné mačkání tam. Totéž platí pro vozidla s hliníkovými bloky motoru. Někdy musí být auta přepracována, aby se motor posunul dále v rámu, aby se do něj vešla větší deformační zóna. I to však může způsobit problémy – pokud je motor následkem nárazu zatlačen zpět do prostoru pro cestující, může dojít ke 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, že část rámu chrání nádrž, ale tato část rámu se může ohnout před nárazem. Například, pokud je auto na zadní části, rám se ohne nahoru, zvedne palivovou nádrž a absorbuje určitý náraz. Novější vozy mají systémy, které při nehodě přeruší přívod paliva do motoru, a Tesla Roadster, vysoce výkonný elektromobil, má bezpečnostní systém, který vypne akumulátory a odčerpá veškerou elektrickou energii z kabelů vedených v celém voze, když cítí nouzový stav [zdroj:Tesla Motors].
Je samozřejmé, že je snadné zabudovat deformační zóny do velkého vozidla se spoustou prostoru pro zmačkání, než dojde k nárazu do prostoru pro cestující. Navrhování deformačních zón do malých vozidel vyžaduje určitou kreativitu. Dobrým příkladem je smart fortwo, extrémně malý
a efektivní vozidlo. Řidič a spolujezdec jsou uzavřeni v bezpečnostní cele tridion, ocelové konstrukci s vynikající tuhostí na svou velikost. Geometrie je navržena tak, aby rozložila nárazy po celém rámu. Na přední a zadní části smartu fortwo je to, čemu smart říká 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 pro tlumení nárazů. Převodovka může například fungovat jako tlumič nárazů v případě čelního nárazu. Krátký rozvor fortwo znamená, že téměř jakýkoli náraz se bude týkat pneumatik, kol a odpružení. Tyto součásti byly navrženy tak, aby se deformovaly, odlomily nebo odrazily, a pomohly tak absorbovat ještě více kinetické energie během nárazu [zdroj:smart USA].
Dále uvidíme, jak deformační zóny pomáhají udržet vašeho oblíbeného závodního jezdce naživu.
Deformační zóny ve vlacích
Mluvili jsme o neuvěřitelné kinetické síle při nárazu auta, ale představte si tu sílu, když se srazí dva vlaky. Kvůli nesmírné váze vlaku může srážka vytvořit desítky nebo dokonce stokrát větší síly než při autonehodě. Přesto lze deformační zóny použít i za těchto extrémních okolností. Pomocí 3D počítačových simulací mohou inženýři vytvořit deformační zónu, která se bude při nárazu neustále a rovnoměrně deformovat a absorbovat maximální možnou sílu. Deformační zóny jsou pak umístěny na obou koncích každého vozu v osobním vlaku. V případě srážky řetězová reakce vozů narážejících do sebe rozděluje sílu do všech deformačních zón ve vlaku. To by mohlo absorbovat dostatek sil nárazu, aby se zabránilo zranění cestujících [zdroj:Machine Design].
I když nejste fanouškem automobilových závodů, pravděpodobně jste viděli obrázky velkolepých havárií, při kterých auta padají po dráze a odhazují díly do všech směrů, jak je auto doslova zničeno. Řidič však jako zázrakem vyleze ze zkrouceného vraku a odjede bez zranění. I když tyto havárie vypadají děsivě, všechna ta velkolepá destrukce spočívá v utrácení kinetické energie. Pro řidiče to pravděpodobně není zábavná jízda, ale auto dělá přesně to, k čemu bylo v této situaci navrženo – chrání osobu na sedadle řidiče.
Vzácně se také vyskytly případy, kdy závodní auto narazilo do pevného předmětu vysokou rychlostí, jako byla nehoda jezdce NASCAR Michaela Waltripa v Bristolu v roce 1990. Při závodní rychlosti narazil do tupého konce betonové zdi a vůz se velmi náhle zastavil. . Náraz vyvolal obrovské síly, přesto byl Waltrip nezraněn. Důvod je patrný při pohledu na zbytky jeho auta toho dne. Bylo zcela a zcela zničeno. Veškerá tato síla byla vynaložena na zničení vozu. Incident zjevně přesáhl schopnosti jakékoli deformační zóny a ve skutečnosti šlo pouze o štěstí, že se do prostoru řidiče nedostalo nic, co by Waltripa zranilo. Přerozdělení síly mu zachránilo život.
Ke konceptu však existuje nešťastný protipól. Od 80. let do počátku 21. století došlo v důsledku příliš tuhého podvozku k četným nehodám při závodech. Pravděpodobně nejznámějším incidentem je smrt Dalea Earnhardta staršího v roce 2001 v Daytoně 500. Havárie se zpočátku nezdála být vážná a nezdálo se, že by auto utrpělo velké škody; právě to však byl problém. Velká síla nárazu byla přenesena přímo na řidiče a způsobila okamžitá a těžká zranění. Smrtelným zraněním byla zlomenina bazilární lebky, poranění oblasti, kde se lebka a mícha spojují. Toto zranění je příčinou smrti při mnoha automobilových závodních nehodách a dochází k němu, když se hlava při nárazu vymrští dopředu, zatímco tělo zůstává připoutáno bezpečnostními pásy. Zatímco zařízení pro omezení hlavy a krku snížila výskyt bazilárních zlomenin lebky, významnou roli sehrálo také snížení nárazových sil na řidiče.
Během tohoto období bylo zabito několik dalších známých řidičů, stejně jako méně známí řidiči v modifikovaných závodech NASCAR a pozdních modelech na tratích po celých Spojených státech. Důvodem nárůstu smrtelných nehod byla prostě snaha o vyšší výkon. Konstruktéři vozů a posádky se snažili o lepší ovladatelnost vytvořením tužšího podvozku. To zahrnovalo přidání komponentů do rámu, použití rovných rámových kolejnic a přechod na ocelové trubky se silnějšími stěnami. Jasně, udělali podvozek pevnější, ale když tato neohebná auta narazila do zdi, nebylo co. Auto neabsorbovalo žádnou sílu – většinu nárazu unesl řidič.
Ještě před Earnhardtovou smrtí v roce 2001 se závodní dráhy snažily najít řešení tohoto problému. Dráhy na severovýchodě Spojených států experimentovaly s obřími bloky průmyslového polystyrenu, které lemovaly stěny, což je podobný koncept jako technologie měkkých stěn, která se dnes používá na mnoha rychlostních silnicích. Ještě důležitější je, že se auta změnila. Na určitých částech podvozku se nyní používají tenčí ocelové trubky a kolejnice rámu jsou ohnuty nebo zářezy, takže se při nárazu poněkud předvídatelně deformují.
Car of Tomorrow od NASCAR, používané v závodech Sprint Cup, má pěnu a další materiál pohlcující nárazy vložené 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 při nárazu na řidiče.
Další informace o automobilových bezpečnostních zařízeních, závodech a dalších souvisejících tématech získáte pomocí odkazů na další stránce.
Safety Ride Down
Volvo vyvíjí další technologii tlumení nárazů pro použití v malých autech. Sedadlo řidiče je namontováno na v podstatě saních na kolejnici, před nimi jsou tlumiče. Při nárazu se celé „sáně“ (sedačka a řidič včetně) vysunou dopředu až o 8 palců a tlumiče doslova dělají svou práci, tlumí náraz při nárazu. Zároveň se volant a část palubní desky posouvají dopředu, aby uvolnily místo 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].
Původně zveřejněno:11. srpna 2008
