Az autók mozgása, fékezése vagy ütközése a mechanika szempontjából (legalábbis első pillantásra) egyszerű folyamat. Még a fizikai alapismeretek birtokában is viszonylag jó képet kaphatunk róluk. Sok intuitív módon ismerős dolgot látunk majd más szögből, és talán elgondolkodunk egy kicsit a vezetés módján.

Féktávolság és mi befolyásolja

közúti

ÁBRA. 1 Az autó kereke, ha csúszás nélkül vezet. Az úttal való érintkezési pont nyugalmi helyzetben van, ezért nulla sebességgel rendelkezik (a) hozzá képest. Autókerék csúszik. A kerék minden pontja az úthoz képest azonos sebességgel mozog (b).

Hogy jobban megértsük, mi befolyásolja az autó fékezését, nézzünk meg egy egyszerű példát. Tegyük fel, hogy egy 1000 kg tömegű autó sebessége 20 m/s (72 km/h). Az autógumik és a száraz aszfalt közötti statikus súrlódási együttható 0,8, a kinematikai súrlódási együttható pedig 0,4. Számolnunk kell az autó féktávolságát arra az esetre, ha a kerekei nem csúsztak meg, és ha megcsúszott.

Az autó fékezés közbeni mozgását a tankönyvek az egyenletesen lassított mozgás tipikus eseteinek tekintik. Egyszerű kapcsolatok vonatkoznak rá. Az egyes számításokat a cikk végén található matematikai mellékletben követheti. Esetünkben a súrlódási erőhöz a statikus súrlódáshoz ("csúszásgátló") 7848 N, a kinematikai súrlódáshoz (nyírás) 3924 N értékeket kapunk.

A gyorsulás (a lassulás "csak" az a sebesség, amely ellentétes az eredeti sebesség irányával, ezért a gyorsításról fogunk beszélni) könnyen kiszámítható Newton második mozgástörvényéből. A mozgás irányában a súrlódási erő az egyetlen erő, amely a kocsira hat. Az autó gyorsulása ebben az esetben állandó (2. összefüggés), 7,848 ms -2 és 3,294 ms -2 értékekkel. Kisebb érték természetesen a csúszás esetén. Kiderült, hogy az autó gyorsulása fékezés közben nem a súlyától, hanem csak a súrlódási együtthatóktól függ (2. összefüggés). Ezért első megközelítésben nem mindegy, hogy az autóbusz, az autó vagy a kerékpáros fékez, mindenkinek azonos fékezéssel kell fékeznie (ha azonos minőségű gumiabroncsai vannak). Erre a tényre jó emlékezni, amikor rövid távolságra halad a teherautótól, és nehéz súlya miatt hamarabb bízik a fékezésben. Bár a nehezebb autónak nagyobb a tehetetlensége, a nagyobb súlya miatt fékezéskor nagyobb a súrlódási ereje.

ÁBRA. 2 Az autó féktávolságának függése a sebességtől és a súrlódási együttható µ értékétől.

A féktávolság függőségétől a fékezés és gyorsulás előtti sebességtől (3. összefüggés) látható, hogy a féktávolság kvadratikusan függ a fékezés megkezdésének sebességétől, és fordítva a gumiabroncsok és az út súrlódási együtthatójától. 2). A féktávolság növekedése a sebességtől ismert tény. A sebesség négyzetéből adódóan (3. összefüggés) az autó kétszer nagyobb sebességgel áll meg négyszer nagyobb távolságon (2. ábra). Valójában a teljes féktávolság még nagyobb, mert belép a vezető és az autó reakcióidejébe - az autó egy ideig ugyanolyan sebességgel mozog, mielőtt akadályozná, mert sem a vezető, sem a fékrendszer nem tud reagálni azonnal.

A féktávolság nő, amikor a gumiabroncsok és az út közötti súrlódási együttható csökken (2. ábra). Ideális körülmények között (száraz durva szemcsés aszfalt és kopott gumiabroncs), ha a kocsi csúszás közben nem mozog, akkor ennek az együtthatónak a értéke 0,8 körül van. Speciális sima gumik esetén akár 0,9. A nyírás hatására a súrlódási együttható statikusról kinematikusra változik, amelynek értéke 0,3–0,4-re csökken. Az időjárási viszonyok radikálisan befolyásolják a súrlódási együttható értékeit. Nedves úton a statikus súrlódási együttható értéke 0,4-re és kevesebbre csökken. A kinematikai súrlódási együttható ugyanabban az arányban csökken. Jégen még rosszabb a helyzet, és még csúszás nélküli fékezés esetén is a súrlódási együttható 0,1 vagy kevesebb. Ebben az esetben az ABS sem javít a helyzeten. Ez a rendszer nem növelheti a statikus súrlódási együttható értékét, és ilyen ütközés előtti helyzetben csak három dolog segít a vezetőnek: alacsony sebesség, biztonságos távolság vagy csoda.

A gumiabroncs-gyártók arra törekszenek, hogy a lehető legnagyobb súrlódási együtthatójú gumiabroncsokat állítsák elő. Nincs univerzális gumiabroncs minden körülmények között. A futófelület nélküli gumiabroncsok a legalkalmasabbak száraz útra. A nedves úton azonban teljesen alkalmatlanná válnak. A normál közlekedéshez szükséges gumiabroncsokat ezért horonyrendszerrel látják el, hogy a víz a lehető legjobban elvezesse a gumiabroncs alól. A gumiabroncs és az aszfalt közötti vízréteg drámai módon csökkenti a súrlódási együtthatót. A téli abroncsok abban az összetételben is különböznek a nyári gumiabroncsoktól, amelyből készültek. Alacsonyabb hőmérsékleten a lágyabb keverékek alkalmasabbak (így jobban tapadnak a hideg aszfaltra), amelyek nyáron túl gyorsan kopnak.

Népszerű téma a járművezetők közötti beszélgetések során, hogyan lehet lassítani úgy, hogy a lehető legrövidebb távolságon álljunk meg. Az elektronika jelenleg nagyrészt driverként foglalkozik ezzel. Ráadásul az átlag sofőr nemigen kerül be határhelyzetekbe, és nincs meg a szükséges tapasztalata a jármű vezetésében (a normál forgalomban akár több ezer kilométer sem elegendő). Kritikus helyzet esetén ezért általában megbénítja a félelem, és csak ösztönösen maximális fékpedál lenyomás esetén használható.

Milyen erő hat a vezetőre ütközés esetén?

Newton 2. törvénye szerint a vezetőre ható erő egyenesen arányos a gyorsulásával. Az a gyorsulás, amelyet a vezetőnek át kell ütnie ütközés esetén, ezért az egyik döntő tényező a hatás súlyosságának megítélésében. Ilyen esetekben a gyorsulást a gravitációs gyorsulás többszöröseként adják meg g = 9,81 ms -2 (kb. 10 ms -2). Az emberi test olyan szövetek kombinációja, amelyek különböző ellenállást mutatnak a deformációs erővel és így a gyorsulással (lassulás) szemben. A gyorsulás rád gyakorolt ​​hatása sok tényezőtől függ. Például egy erős pofon tíz-száz g helyi gyorsuláshoz vezet, de nem okozhat kárt. Még egy 16 g-os gyorsulás is végzetes lehet. A kiképzett katonai pilóták 10 g határig képesek ellenállni a rövid távú gyorsulásoknak (magasabb szinten eszméletlenek esnek). John Stapp, az 1954-es rakétakísérletek önkéntese 46,2 g gyorsulást tapasztalt. Élete végéig 89 évet élt, de ennek a kísérletnek köszönhetően látási problémái voltak. Robert Kubica, az F1-es lengyel pilóta gyakorlatilag sérülések nélkül túlélte a maximális 75 g-os gyorsulást egy 2007-es szörnyűnek tűnő montréali baleset során (3. ábra) (az átlagos gyorsulás 28 g volt). Autóbalesetek során túl lehet élni a 100 g feletti gyorsulásokat is, amelyek azonban csak ezredmásodpercig tartanak.

ÁBRA. 3 Kubica, miután kapcsolatba lépett Jarno Trulli Toyota-jával, betonkorlátnak ütközik a 2007-es Kanadai Nagydíjon, 2007-ben gyakorlatilag nem fékezett 300 km/h sebességgel. Másnap, szükséges megfigyelés után, kiengedték a kórházból.

Nézzünk újra egy egyszerű példát: Képzeljük el, hogy egy 20 m/s sebességgel haladó autó elöl szilárd akadályt üt el. Ütközéskor 40 cm-rel deformálódik. Mekkora az átlagos gyorsulás, amelyet az autó elmozdul baleset közben? Milyen erők hatnak a 80 kg súlyú vezetőre?

Ha az átlagos gyorsulás érdekel, elegendő az egyszerűsített feltételezés, miszerint a vezető mozgása egyenletesen lelassult. Az átlagos gyorsulás ebben az esetben majdnem 51 g (4. egyenlet). Ez azonban nem jelenti azt, hogy ez a maximális gyorsulás. Az autó egyes részei könnyebben deformálódhatnak és a gyorsulás kisebb, míg más alkatrészek deformációja nagyobb. Ezért a maximális gyorsulás határozottan nagyobb lesz, mint az általunk kapott érték.

Az ütközés időtartamára 0,04 s értéket vinnénk le (5. egyenlet). Az 51 g gyorsulás tehát viszonylag rövid hatással van az autóra, de valóban nagy érték. Fontos, hogy a becsapódás gyorsulása kvadratikusan függ a becsapódás sebességétől (4. egyenlet). Ha az ütközés 10 m/s sebességgel történt, és az autó deformációja megegyezett, az átlagos gyorsulás csak 12,74 g lenne. Ilyen gyorsulás esetén 1250 N erő hat egy 10 kg súlyú gyermekre, ami megközelítőleg egy személy súlya 127 kg. Ha a gyermeket a kezén tartja, szinte lehetetlen ilyen "alacsony" sebességgel tartani, amikor 50 km/h sebességgel ütközik. 2411 N erővel kell tartania a gyereket. ugyanaz, mint a 256 kg-os súly megtartása. Egyesek szerint a kezében lévő gyermek biztonságban van a hátsó ülésen, legalábbis egy olyan városban, ahol nem vezet olyan gyorsan, téved, ezért a gyermekülések és az ülés használata Ezért a hátsó üléseken található övek létfontosságúak. Az egyéb fülke nélküli felszerelések és rakomány az autó vezetőfülkéjében, amely viszonylag alacsony sebességgel történő ütközés esetén halálos veszélyt jelent a személyzet számára, jelentősen csökkentve a túlélés esélyét.

ÁBRA. 4 Az autó gyorsulásának függése álló helyzetben lévő akadály elülső ütközése esetén a féktávolságtól - az a távolság, amelyet az autó ütközés esetén megtesz, amíg teljesen le nem áll. Megjelennek a különböző ütközési sebességek függőségei.

Az ütközésekről eddig elmondottak alapján egyértelmű, hogy az autótervezőknek meg kell próbálniuk úgy gyártani az autót, hogy ütközés esetén simán deformálódjon a lehető legnagyobb távolságon (egy túl erős autó veszélyes a legénység). E deformáció során az autó különféle részei nem nyúlhatnak ki a fülkébe, és így veszélyeztethetik a személyzetet. A személyzet tagjainak olyan deformálódás miatt az akadályokat meghaladó akadályokra gyakorolt ​​hatása, amelyek az autós balesetek során az összes sérülés 50% -át okozzák.

A helyzet még bonyolultabb frontális ütközés esetén. Ilyen ütközés esetén összeadódik az autók egymás elleni sebessége, és a következmények általában rosszabbak. Ezen túlmenően az autók gyakran nem kompatibilisek, és az egyik autó bizonyos része szélesebb körű pusztítást okozhat, és egy másik autóban megsértheti a személyzetet. És a helyzet mellékhatások esetén még rosszabb, mert az ottani legénységet nem védi egy viszonylag hosszú és masszív első motorháztető. Még a biztonsági övek sem túl hatékonyak a mellékütésekben. Ezért különféle oldalsó ajtó-megerősítéseket vagy az ajtóban további légzsákokat stb.

Minél nehezebb, annál jobb

ÁBRA. 5. Az erők összehasonlítása (az erőket kilonewtonban fejezik ki, kN = 1000 newton), amelyek két autó frontális ütközésében hatnak a vezetőkre, az N kocsik tömegének arányától függően.

És kiszámolni. Tegyük fel, hogy az első (nehezebb) autó vezetője sebességét 20 m/s-ról v-ra változtatja anélkül, hogy megváltoztatná a mozgás irányát. Az így keletkezett roncs az ütközés után egy nehezebb autó sebességének irányába mozog. A másik autó vezetője megváltoztatja mozgásának irányát, sebessége pedig az egyik irányú 20 m/s értékről a másik irányba változik. Az elemi számítás meghatározza az autóroncs sebességét közvetlenül az ütközés után (6. egyenlet). Az ütközés során a sofőrökre ható erőkre olyan képleteket vezethetünk le (8a, 8b egyenletek), amelyek azt mutatják, hogy minél nagyobb az N kocsi tömegének aránya, annál nagyobb erő hat egy könnyebb autó vezetőjére (5. ábra). . Másrészt a nehezebb autó vezetőjét kevesebb erő éri. Ha mindkét autó súlya azonos, akkor a vezetőkre ható erők azonosak. A határesetben, amikor m1 sokkal nagyobb, mint m2, az első vezetőt nulla erő éri, a második vezetőt pedig ugyanolyan erő éri, mint amikor egy szilárd falnak ütközik kétszeres sebességgel.

A frontális ütközés esetére elvégeztük a számítást, de eredménye általában érvényes. Tehát a fizika megerősítette azt a közismert tényt, hogy minél nehezebb az autó, annál biztonságosabb. A nehezebb autók gyakran magasabb osztályú autók. Ezért jobb felszereléssel rendelkeznek, és a passzív és aktív személyzet biztonságát alaposabban biztosítják. A nagyobb autók általában hosszabb és masszívabb motorháztetővel rendelkeznek. Sokszor különböző vázak vannak (különösen teherautók), amelyek frontális ütközés esetén rendkívül veszélyesek egy kis autó számára. A kerékméretek jelentős különbsége (és ezáltal a jármű úttest feletti magassága), valamint a motorházfedél első részeinek súlyában és merevségében mutatkozó nagy különbség teherautókkal való ütközés esetén gyakran olyan helyzetet okoz, amikor egy autó alá van tolva egy teherautó (6. ábra). A teherautóra ható fékerő ebben az esetben nagyon kicsi, de az autó személyzetére gyakorolt ​​következmények végzetesek.

ÁBRA. 6. Az autók tömegének és felépítésének eltérései gyakran balesetekhez vezetnek, amelyekben a gyengébb autó személyzetének esélye sincs...

Tehát, ha tud választani, akkor a legnehezebb autókkal közlekedjen (a nagy és drága autó természetesen nem indokolja az agresszív és vakmerő vezetést), haladjon lassan, pántosan, még akkor is, ha mindenki és mindenki az utastérben tartózkodik. Ne csökkentse feleslegesen a képességét, hogy különböző függőséget okozó anyagokkal reagáljon. Ne feledje, hogy a többi sofőr túlnyomó többsége jó egészségben akar célba érni, és nem úgy veszi fel az utat, mint ahol bizonyítania kell valamit, vagy el kell távolítania a sikertelen nap stresszét és frusztrációját (ha valakinek meg kell mutatnia, mit egy srác/nagymama az, hadd töltse be magát rendesen az edzőteremben, szaladjon egy magas hegyre, menjen triatlonra - van olyan lehetőség, hogy hibája után nem fog ártatlan embereket megölni). És ha fiatalember vagy, akkor jobb, ha az anyád, a feleséged, a partnered vagy a kollégád veszi el, mert a baleseteknél a fiatal férfiak (tapasztalatlan, magabiztos és agresszív) a leginkább veszélyeztetett csoport.