Kalkulator wypadku samochodowego

Nasz kalkulator wypadku samochodowego to narzędzie, którego możesz użyć do oszacowania jakie siły działają na ciebie podczas zderzenia samochodowego. Wszyscy wiedzą, że kolizje samochodowe są bardzo niebezpieczne, ale jakie są naukowe fakty w tym temacie? Czy możemy przewidzieć konsekwencje wypadku samochodowego? Odpowiedź brzmi: i tak, i nie. Uszczerbek na zdrowiu w wypadku może być poważny i zależy od wielu czynników, np.:

• prędkości samochodu — im wyższa, tym więcej energii;
• pasów bezpieczeństwa — pokażemy, że pasy bezpieczeństwa mogą uratować ci życie;
• poduszek powietrznych — kolejna rzecz, która może ochronić twoje życie;
• typu samochodu — masz większe szanse na przeżycie wypadku samochodowego, jeśli jesteś w większym samochodzie;
• rodzaju zderzenia — sytuacja wygląda inaczej, gdy uderzymy w krzak lub drzewo.

Nie możemy dokładnie obliczyć, czy przeżyjesz, czy nie, ale możemy dokonać pewnych szacunków, aby być świadomymi konsekwencji zderzenia. Co się stanie, jeśli jedziesz z szybkością $35\ \mathrm{km/h}$ i nagle się zatrzymasz? Wyobraź sobie, że na twojej klatce piersiowej leży 7-tonowy klocek. Tak, to prawie to samo. Niedawno amerykańska organizacja NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration) przeprowadziła wiele testów zderzeniowych z manekinami. Na podstawie tych testów możemy w przybliżeniu określić, przy jakiej prędkości możesz zginąć w wypadku samochodowym.

W tym artykule wyjaśniamy jak obliczyć siłę uderzenia w wypadkach samochodowych oraz jak pasy bezpieczeństwa i poduszki powietrzne mogą cię ochronić. Dowiesz się, że mogą one drastycznie zwiększyć twoje szanse na przeżycie. Możesz dowiedzieć się o definicji siły uderzenia i równaniu siły uderzenia w poniższym tekście.

Nie musisz być kierowcą, aby wiedzieć, że nie możesz natychmiast zatrzymać samochodu. Całkowita droga hamowania zależy od czasu reakcji kierowcy i drogi hamowania. Ta sama energia oszacowana za pomocą kalkulatora energii kinetycznej zostanie rozproszona znacznie szybciej na drzewie niż w kontakcie ze zbiornikiem wodnym. Dlatego uderzenie w drzewo prawie zawsze prowadzi do niebezpiecznych wypadków samochodowych.

Siła uderzenia to całkowita siła wywierana na obiekt podczas zderzenia. Aby wyprowadzić równanie siły uderzenia, możesz wziąć pod uwagę prawo zachowania energii. Na początku poruszający się obiekt posiada energię kinetyczną, która maleje do zera po zderzeniu (obiekt zatrzymuje się). Aby spełnić prawo zachowania energii, zmiana energii kinetycznej musi zostać skompensowana przez pracę wykonaną przez siłę uderzenia. Wyrażamy to za pomocą poniższego równania siły uderzenia

gdzie:

• $F$ — średnia siła uderzenia
• $m$ — masa obiektu
• $v$ — prędkość początkowa obiektu
• $d$ - odległość przebyta podczas zderzenia

Sprawdź kalkulator pracy 🇺🇸 lub kalkulator pracy i mocy 🇺🇸, aby zapoznać się z definicją pracy w fizyce oraz jej związkiem z energią

To, co może cię zaskoczyć, to fakt, że wydłużenie odległości przebytej podczas zderzenia zmniejsza średnią siłę uderzenia. Powinno to być łatwiejsze do zrozumienia, jeśli przepiszemy powyższy wzór na siłę uderzenia w alternatywnej wersji, używając czasu zderzenia $t$ zamiast odległości $d$:

Jest to szczególny przypadek wzoru na pęd, opisanego w kalkulatorze impulsu i pędu 🇺🇸. Teraz możesz zobaczyć, że wydłużenie czasu zderzenia zmniejszy średnią siłę uderzenia.

Rozważmy dwie sytuacje, w których skaczesz z określonej wysokości. W pierwszym przypadku skaczesz na ziemię, a w drugim na trampolinę. Ponieważ powierzchnia trampoliny jest bardziej rozciągliwa, wydłuża to czas zderzenia. Możesz poczuć, że twoje nogi są poddawane mniejszej średniej sile uderzenia.

Ten przypadek jest analogiczny do wypadków samochodowych. Samochody są tak skonstruowane, że zgniatają się przy uderzeniu, co wydłuża czas zderzenia i zmniejsza siłę uderzenia. Dlatego ich karoseria nie może być zbyt twarda.

Wzory na siłę uderzenia, których użyliśmy powyżej, opisują idealne zderzenie dwóch obiektów. W rzeczywistej sytuacji zderzenia samochodowego profil siły podczas wypadku może być bardziej rozległy — np. należy wziąć pod uwagę, że samochód się zgniata, a człowiek nie jest masą punktową, tylko złożonym ciałem. Nadal jednak możesz oszacować siłę uderzenia podczas wypadku samochodowego.

Spójrz na poniższy rysunek. Na początku kierowca siedzi w samochodzie poruszając się z prędkością $v$. Następnie samochód uderza w drzewo i natychmiast się zatrzymuje. Kierowca leci do przodu z powodu siły bezwładności, aż nagle zostaje zatrzymany przez uderzenie w kolumnę kierownicy lub przednią szybę. Droga zatrzymania jest bardzo krótka, ponieważ żaden ze zderzających się obiektów (w tym ciało i np. przednia szyba) nie jest wystarczająco kurczliwy. Są to zazwyczaj gęste obiekty; możesz znaleźć gęstość najpopularniejszych materiałów za pomocą kalkulator gęstości dla porównania. W naszym przypadku możemy oszacować dystans do zatrzymania się na około $4\ \mathrm{cm}$ (możesz to zmienić w sekcji Dodatkowe zmienne).

Jak obliczyć siłę uderzenia działającą na kierowcę o masie $70\ \mathrm{kg}$? Skorzystaj z naszego kalkulatora wypadku samochodowego! Jeśli początkowa prędkość samochodu wynosi $30\ \mathrm{km/h}$, a odległość pokonana podczas zderzenia wynosi $4\ \mathrm{cm}$, to siła uderzenia wynosi około $60\ \mathrm{kN}$. Jest to równowartość 6 ton! To tak, jakby ktoś położył duży kamienny blok na twojej klatce piersiowej. Z drugiej strony, czas zatrzymania wynosi tylko $9,\!6\ \mathrm{ms}$, co oznacza, że aby zmniejszyć prędkość kierowcy z $30\ \mathrm{km/h}$ do zera, kierowca musi zwalniać prawie 89 razy szybciej niż standardowa ziemska grawitacja o wartości g.

Podstawowe zadanie pasów bezpieczeństwa i poduszek powietrznych jest takie samo. Oba wydłużają odległość przebytą podczas kolizji. Załóżmy, że mamy taką samą sytuację jak poprzednio. Kierowca $70\ \mathrm{kg}$ prowadzi samochód z szybkością 30 km/h, ale tym razem jest mocno trzymany uprzężą pasów bezpieczeństwa. Po przyłożeniu siły uderzenia pas bezpieczeństwa nieznacznie się rozciągnie. Możemy powiedzieć, że może się rozszerzyć o około $20\ \mathrm{cm}$ (możesz to zmienić w sekcji Dodatkowe zmienne tego kalkulatora siły uderzenia).

Ponownie, po użyciu kalkulatora wypadku samochodowego, możesz uzyskać średnią siłę uderzenia około $2,\!5\ \mathrm{kN}$, która jest prawie 25 razy mniejsza niż bez pasów bezpieczeństwa. Odpowiada to masie $1,\!24\ \mathrm{t}$. Czas zatrzymania wydłuża się do $48\ \mathrm{ms}$, a teraz kierowca zwalnia „tylko” 18 razy szybciej niż przy standardowej grawitacji ziemskiej g.

Podsumowując, pas bezpieczeństwa ma za zadanie powstrzymać twoje ciało przed uderzeniem w twarde przedmioty w samochodzie i zmniejszyć siłę uderzenia, której doświadczasz, rozkładając ją w czasie. Pas bezpieczeństwa może czasami przyczynić się do poważnych obrażeń wewnętrznych lub nawet śmierci, jeśli siła uderzenia jest zbyt duża. Jednak obecnie pasy bezpieczeństwa są wyposażone w mechanizm, który przerywa je przy określonym poziomie naprężenia. Zazwyczaj przed kierowcą znajdują się jeszcze poduszki powietrzne, które zwiększają jego bezpieczeństwo.

Podaliśmy przykład z kierowcą, ale każda osoba w pojeździe jest narażona na te niebezpieczeństwa. Jeśli zderzysz się z ciężką ciężarówką, nie ma znaczenia, czy siedzisz za kierownicą, czy na tylnym siedzeniu samochodu.

Nawet w przypadku kolizji przy niskiej szybkości, siła uderzenia, która zatrzymuje twoje ciało, jest liczona w tonach. Bez zapiętych pasów bezpieczeństwa po prostu nie będziesz w stanie się utrzymać i uniknąć obrażeń. Co więcej, jeśli siedzisz z tyłu samochodu i nie jesteś ograniczony/a pasami bezpieczeństwa, polecisz prosto przed siebie jak kilkutonowy głaz. Zranisz nie tylko siebie, ale także pasażera siedzącego przed tobą!

To jedno z tych pytań, na które nie ma jednej jednoznacznej odpowiedzi. Im cięższy samochód, tym trudniej go zatrzymać, a siła uderzenia jest mniejsza. Z drugiej strony, pojazd natychmiast zatrzyma się, jeśli uderzy w ścianę domu, ale sytuacja będzie inna, jeśli uderzy w inny samochód uczestniczący w ruchu drogowym. Dlatego musimy wziąć pod uwagę wiele różnych czynników.

Ogólnie rzecz biorąc, duża prędkość nie powoduje szkodliwych obrażeń. To, co jest niebezpieczne dla człowieka, to duże przyspieszenie lub wyhamowanie w określonym czasie. Amerykańska organizacja National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) to agencja, która prowadzi badania nad bezpieczeństwem ruchu drogowego na całym świecie. Swoją misję opisuje jako ratowanie życia, zapobieganie obrażeniom, zmniejszanie liczby wypadków związanych z pojazdami. NHTSA stwierdza, że „maksymalna siła oddziałująca na klatkę piersiową nie powinno przekraczać 60 g przez okres dłuższy niż 3 milisekundy” (źródło: NHTSA).

Dzięki naszemu kalkulatorowi wypadków samochodowych dowiedziałeś/aś się, że przyspieszenia podczas wypadków samochodowych mogą być znacznie wyższe niż 60 g, jeśli nie miałeś/aś zapiętych pasów bezpieczeństwa. NHTSA twierdzi, że pasy bezpieczeństwa zmniejszają śmiertelność o 45% i zmniejszają ryzyko obrażeń o 50%.