Рух автомобілів, їх гальмування чи зіткнення є з точки зору механіки (принаймні на перший погляд) простими процесами. Навіть маючи базові знання фізики, ми можемо отримати відносно гарне уявлення про них. Ми побачимо багато інтуїтивно знайомих речей під іншим кутом і, можливо, трохи подумаємо про наш спосіб водіння.

Гальмівний шлях і що на це впливає

руху

Фіг. 1 Колесо автомобіля при русі без ковзання. Точка зіткнення з дорогою перебуває в стані спокою, тому вона має нульову швидкість (а) щодо неї. Автомобільне колесо в заносі. Усі точки колеса рухаються відносно дороги з однаковою швидкістю (b).

Щоб краще зрозуміти, що впливає на гальмування автомобіля, давайте розглянемо простий приклад. Припустимо, що машина вагою 1000 кг має швидкість 20 м/с (72 км/год). Коефіцієнт статичного тертя між автомобільними шинами та сухим асфальтом становить 0,8, а коефіцієнт кінематичного тертя - 0,4. Слід розрахувати гальмівний шлях автомобіля на випадок, якщо його колеса не занеслися та на випадок заносу.

Рух автомобіля під час гальмування сприймається в підручниках як типовий випадок рівномірно уповільненого руху. Прості стосунки стосуються його. Ви можете стежити за окремими розрахунками в математичному додатку в кінці статті. Для сили тертя в нашому випадку ми отримуємо значення (відношення 1) 7848 Н для статичного тертя ("ковзання") і 3924 Н для кінематичного тертя (зсув).

Прискорення (уповільнення - це "лише" прискорення, яке йде проти напрямку початкової швидкості, тому ми поговоримо про прискорення) можна легко розрахувати за другим законом руху Ньютона. У напрямку руху сила тертя є єдиною силою, що діє на автомобіль. Прискорення автомобіля в цьому випадку є постійним (відношення 2) зі значеннями 7,848 мс -2 і 3,294 мс -2. Менше значення, звичайно, є у випадку заносу. Виявляється, прискорення автомобіля під час гальмування залежить не від його ваги, а лише від коефіцієнтів тертя (відношення 2). Тому при першому підході не має значення, чи гальмує автобус, автомобіль чи велосипедист, всі повинні гальмувати з однаковим прискоренням (якщо у них однакові якісні шини). Цей факт добре пам’ятати, коли ви їдете на невеликій відстані від вантажівки, і завдяки своїй великій вазі ви швидше покладаєтесь на гальмування. Хоча більш важкий автомобіль має більшу інерцію, він має більшу силу тертя при гальмуванні через більшу вагу.

Фіг. 2 Залежність гальмівного шляху автомобіля від швидкості та від значення коефіцієнта тертя µ.

З залежності гальмівного шляху від швидкості перед гальмуванням та прискоренням (відношення 3) видно, що гальмівний шлях квадратично залежить від швидкості, з якою починається гальмування, і навпаки від коефіцієнта тертя між шинами та дорогою (рис. 2). Збільшення гальмівного шляху від швидкості - це відомий факт. Завдяки квадрату швидкості (відношення 3) автомобіль зупиняється з подвоєною швидкістю на чотири рази більшій відстані (рис. 2). Насправді загальний гальмівний шлях ще більший, оскільки він вводить час реакції водія та автомобіля - автомобіль деякий час рухається з однаковою швидкістю, перш ніж стає на заваді, оскільки ні водій, ні гальмівна система не можуть зреагувати негайно.

Гальмівний шлях збільшується із зменшенням коефіцієнта тертя між шинами та дорогою (рис. 2). В ідеальних умовах (сухий крупнозернистий асфальт і зношена шина), якщо машина не рухається під час заносу, значення цього коефіцієнта становить близько 0,8. Для спеціальних гладких шин навіть 0,9. Зсув змушує коефіцієнт тертя змінюватися від статичного до кінематичного, що знижує його значення до 0,3 - 0,4. Погодні умови радикально впливають на значення коефіцієнта тертя. На мокрій дорозі значення статичного коефіцієнта тертя зменшується до 0,4 і менше. Кінематичний коефіцієнт тертя зменшується в тій же пропорції. На льоду ситуація ще гірша, і навіть при гальмуванні без заносу коефіцієнт тертя становить 0,1 або менше. У цьому випадку АБС також не покращить ситуацію. Ця система не може збільшити значення коефіцієнта статичного тертя, і в такій ситуації перед зіткненням водієві допоможуть лише три речі: низька швидкість, безпечна відстань або диво.

Виробники шин прагнуть виробляти шини з максимально високими коефіцієнтами тертя. Не існує універсальної шини для будь-яких умов. Шини без протектора найкраще підходять для сухої дороги. Однак вони стають абсолютно непридатними на мокрій дорозі. Тому шини для звичайного руху оснащені системою канавок для найкращого зливу води з-під покришки. Шар води між покришкою та асфальтом різко знижує коефіцієнт тертя. Зимові шини також відрізняються від літніх за складом суміші, з якої вони виготовлені. При нижчих температурах підходять більш м’які суміші (щоб вони краще трималися на холодному асфальті), які влітку занадто швидко зношуються.

Популярна тема для розмов між водіями - як зменшити швидкість, щоб ми зупинились на якомога коротшій відстані. Значною мірою електроніка в даний час має справу з цим як з драйвером. Крім того, пересічний водій не дуже часто потрапляє у прикордонні ситуації і не має необхідного досвіду керування транспортним засобом (навіть тисяч кілометрів, проїханих у звичайному русі, може бути недостатньо). У разі критичної ситуації він, як правило, паралізований страхом і може використовуватися лише для інстинктивно максимального натискання на педаль гальма.

Яка сила діє на водія у разі удару?

Відповідно до 2-го закону Ньютона сила, що діє на водія, прямо пропорційна його прискоренню. Отже, прискорення, яке повинен зазнати водій у разі удару, є одним із вирішальних факторів при оцінці тяжкості удару. У таких випадках прискорення дається в кратних гравітаційному прискоренні g = 9,81 мс -2 (приблизно 10 мс -2). Тіло людини - це поєднання тканин з різною стійкістю до сили деформації і, отже, до прискорення (уповільнення). Вплив прискорення на вас залежить від багатьох факторів. Наприклад, сильний ляпас призводить до локального прискорення від десятків до сотень г, але може не завдати шкоди. Навіть прискорення в 16 г, діючи на людину протягом хвилини, може стати фатальним. Підготовлені військові пілоти витримують короткочасне прискорення до межі 10 г (на вищих рівнях вони падають без свідомості). Джон Стапп, доброволець у ракетних випробуваннях у 1954 році, пережив прискорення 46,2 г. До кінця свого життя він прожив 89 років, але завдяки цьому експерименту у нього були проблеми із зором. Польський водій F1 Роберт Кубіца вижив, практично не постраждавши, максимальним прискоренням 75 г під час жахливої ​​на вигляд аварії в Монреалі в 2007 році (рис. 3) (середнє прискорення становило 28 г). Під час автомобільних аварій також можна пережити прискорення понад 100 г, яке, однак, триває лише тисячну частку секунди.

Фіг. 3 Після контакту з Тойотою Ярно Труллі Кубіца в 2007 році врізався у бетонний бар'єр на Гран-прі Канади, практично не тормозившись на швидкості 300 км/год у 2007 році. Наступного дня, після необхідного спостереження, його випустили з лікарні.

Погляньмо ще раз на простий приклад: уявіть, що автомобіль, що рухається зі швидкістю 20 м/с, вдаряється в суцільний бар’єр спереду. При ударі він деформується на 40 см. Яким середнім прискоренням рухається машина під час аварії? Які сили діють на водія вагою 80 кг?

Якщо нас цікавить середнє прискорення, досить спрощеного припущення про рівномірне уповільнення руху водія. Середнє прискорення в цьому випадку становить майже 51 г (рівняння 4). Однак це не означає, що це максимальне прискорення. Деякі деталі автомобіля можуть деформуватися легше, прискорення менше, тоді як деформація інших деталей більша. Отже, максимальне прискорення однозначно буде більшим, ніж отримане нами значення.

Для тривалості зіткнення ми отримали б значення 0,04 с (рівняння 5). Тому прискорення в 51 г має відносно короткий вплив на автомобіль, але це справді велике значення. Важливо, що прискорення при ударі квадратично залежить від швидкості, з якою відбувся удар (рівняння 4). Якби удар відбувся зі швидкістю 10 м/с, а деформація автомобіля була однаковою, середнє прискорення становило б лише 12,74 г. При такому прискоренні на дитину вагою 10 кг діє сила 1250 Н, що становить приблизно вагу 127 кг людини. Якщо ви тримаєте дитину на руках, майже неможливо тримати її на такій "низькій" швидкості при ударі зі швидкістю 50 км/год. Деякі кажуть, що дитина в руках у безпеці на задньому сидінні, принаймні в місті, де він не їде так швидко, він помиляється, тому дитячі крісла та використання ременів безпеки на задніх сидіннях тому життєво важливі. інше неприкріплене обладнання та вантаж у кабіні автомобіля, що стає смертельною небезпекою екіпажу у разі удару на відносно низькій швидкості, що значно зменшує шанси на виживання.

Фіг. 4 Залежність прискорення автомобіля у разі фронтального удару об нерухому перешкоду від довжини гальмівного шляху - відстані, яку проїжджає автомобіль у разі удару, доки вона повністю не зупиниться. Показано залежності для різних швидкостей удару.

З того, що ми вже говорили про наслідки, ясно, що дизайнери автомобілів повинні намагатися зробити автомобіль таким чином, щоб він плавно деформувався на якомога більшу відстань у разі удару (занадто сильний автомобіль небезпечний для екіпаж). Під час цієї деформації різні частини автомобіля не повинні виступати в кабіну і тим самим загрожувати екіпажу. Вплив членів екіпажу на перешкоди, що перевищують салон автомобіля внаслідок деформації, спричиняє до 50% усіх травм в автокатастрофах.

Ситуація ще більше ускладнюється у разі лобового зіткнення. При цьому типі удару швидкість автомобілів один проти одного додається, і наслідки, як правило, гірші. Крім того, машини часто несумісні, і якась частина одного автомобіля може спричинити більш значні руйнування та травмувати екіпаж іншого автомобіля. А ситуація у випадку бокових ударів ще гірша, адже екіпаж там не захищений порівняно довгим і міцним переднім капотом. Навіть ремені безпеки не надто ефективні при бокових ударах. Тому використовуються різні посилення бічних дверей або додаткові подушки безпеки у дверях тощо.

Чим важче, тим краще

Фіг. 5 Порівняння сил (сили виражаються в кілоньютонах kN = 1000 ньютонів), які діють на водіїв при лобовому зіткненні двох автомобілів, залежно від співвідношення ваги автомобілів N.

І для розрахунку. Припустимо, що водій першого (важчого) автомобіля змінює швидкість з 20 м/с на v, не змінюючи напрямку руху. Отримана аварія рухатиметься у напрямку швидкості важчого автомобіля після зіткнення. Водій в іншому автомобілі змінює напрямок свого руху, і його швидкість змінюється від значення 20 м/с в одному напрямку до значення в іншому напрямку. Елементарний розрахунок визначає швидкість аварії автомобіля відразу після зіткнення (рівняння 6). Для сил, що діють на водіїв під час зіткнення, ми можемо отримати формули (рівняння 8a, 8b), які показують, що чим вище відношення ваг автомобілів N, тим більша сила діє на водія легшого автомобіля (рис. 5) . З іншого боку, водій більш важкого автомобіля зазнає менших зусиль. Якщо ваги обох автомобілів однакові, сили, що діють на провідники, однакові. У граничному випадку, коли m1 набагато більше м2, перший провідник буде піддаватися нульовій силі, а другий провідник буде піддаватися тій же силі, що і при ударі об тверду стіну з подвоєною швидкістю.

Ми зробили розрахунок для випадку лобового зіткнення, але його результат загалом дійсний. Тож фізика підтвердила загальновідомий факт, що чим важче ваш автомобіль, тим ви в безпеці. Більш важкі машини - це часто машини вищого класу. Тому вони також мають краще обладнання, а пасивна та активна безпека екіпажу забезпечується більш ретельно. Більші машини зазвичай мають довший і масивніший передній кінець капота. Багато разів вони мають різні рами (особливо вантажівки), що надзвичайно небезпечно для невеликого автомобіля у разі фронтального удару. Значна різниця у розмірах коліс (і, отже, висоті автомобіля над дорогою) разом із великою різницею у вазі та жорсткості передніх частин капота при зіткненні з вантажівками Гальмівні сили, що діють на вантажівку, у цьому випадку дуже малі, але наслідки для екіпажу автомобіля фатальні.

Фіг. 6 Невідповідність ваги автомобілів та їх конструкції часто призводить до аварій, в яких екіпаж слабшого автомобіля не має шансів...

Тож якщо ви можете вибрати, їдьте на найважчих автомобілях (велика і дорога машина, звичайно, не виправдовує агресивного та необдуманого водіння), їдьте повільно, прив’язані, навіть з усіма та всіма в салоні. Не зменшуйте без потреби свою здатність реагувати з різними речовинами, що викликають звикання. Пам’ятайте, що переважна більшість інших водіїв хочуть добратися до місця призначення зі здоров’ям і не сприймають дорогу як місце, де їм потрібно щось довести, або викинути стрес і розчарування через невдалий день (якщо хтось повинен показати, що хлопець/бабуся є, нехай навантажує себе належним чином у спортзалі, біжить на високий пагорб, їде на триборство - є ймовірність, що він не вб’є невинних людей після своєї помилки). А якщо ви молода людина, то краще захоплюйтесь матір’ю, дружиною, партнером чи колегою, адже молоді чоловіки (недосвідчені, впевнені в собі та агресивні) - це найбільш ризикована група, коли йдеться про нещасні випадки.