Calculadora de Colisão de Carro

A calculadora de colisão de carro da Omni é uma ferramenta para estimar qual força F atua sobre você em uma colisão de carro. Todos sabemos que as colisões de automóveis são muito perigosas, mas qual é a física por trás delas? Podemos prever as consequências de um acidente de carro? A resposta é sim e não. Os danos à saúde em um acidente podem ser graves e dependem de muitos fatores, por exemplo:

• Velocidade do carro: quanto maior a velocidade, mais energia você tem;
• Cinto de segurança: mostraremos que o cinto de segurança pode salvar sua vida;
• Air-bag: outro dispositivo que pode proteger sua vida;
• Tipo de carro: é mais provável que você sobreviva a um acidente de carro se estiver em um carro maior; e
• Obstáculo: a situação é diferente quando você bate em um arbusto ou em uma árvore.

Não podemos calcular com precisão se você sobreviverá ou não, mas podemos fazer algumas estimativas para estarmos cientes das consequências do acidente. O que acontece se você estiver dirigindo a uma velocidade de $32\ \mathrm{km/h}$ e parar de repente? Imagine que um bloco de 7 toneladas está sobre seu peito. Sim, é quase o mesmo. Recentemente, a NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration, agência do governo dos EUA focada na segurança dos transportes), realizou muitos testes de colisão com manequins. Com base nesses testes, podemos fazer algumas aproximações sobre a velocidade em que você pode morrer em um acidente de carro.

Nessa calculadora de acidentes de carro, explicamos como calcular a força de impacto em acidentes de carro e como os cintos de segurança e os airbags podem proteger você. Você descobrirá que eles podem aumentar drasticamente suas chances de sobrevivência. Você pode aprender sobre a definição de força de impacto e a equação da força de impacto no texto a seguir.

Você não precisa ser o motorista para saber que não é possível parar o carro imediatamente. A distância total de parada depende do tempo de reação do motorista e da distância de frenagem. A mesma energia estimada com a nossa calculadora de energia cinética será dispersada muito mais rapidamente em uma árvore do que na água. Portanto, bater em árvores quase sempre resulta em acidentes de carro perigosos.

A força de impacto é a força total exercida em um objeto durante uma colisão. Para derivar a equação da força de impacto, você pode considerar a lei de conservação de energia. No início, um objeto em movimento possui energia cinética reduzida a zero após a colisão (o objeto para). Para obedecer à lei de conservação, a alteração da energia cinética deve ser compensada pelo trabalho realizado pela força de impacto. Expressamos isso com a equação de força de impacto abaixo

onde:

• $F$: força média de impacto;
• $m$: massa de um objeto;
• $v$: velocidade inicial de um objeto; e
• $d$: distância percorrida durante uma colisão.

Consulte a calculadora de trabalho ou a calculadora de trabalho e potência, ambas da Omni, para se familiarizar com a definição de trabalho em física e como ele está relacionado à energia.

O que pode surpreender você é que aumentar a distância percorrida durante a colisão reduz a força média do impacto. Deve ser mais fácil para você entender se reescrevermos a fórmula da força de impacto acima na versão alternativa usando o tempo de colisão $t$ em vez da distância $d$:

Esse é um caso especial da fórmula do momento, descrita em detalhes em nossa calculadora de impulso e momento. Agora, você pode ver que estender o tempo da colisão diminuirá a força de impacto média.

Vamos considerar duas situações em que você pula de uma altura específica. No primeiro caso, você pula no chão e, no segundo, em um trampolim. Como a superfície de um trampolim é mais elástica, ela prolonga o tempo da colisão. Você pode sentir que suas pernas estão sujeitas a uma força de impacto média menor.

Esse caso é análogo ao de acidentes de carro. Os carros são feitos para entrar em colapso com o impacto, prolongando o tempo da colisão e diminuindo a força do impacto. É por isso que eles não podem ser muito duráveis.

As fórmulas de força de impacto que usamos acima descrevem uma colisão ideal entre dois objetos. Na situação real de uma batida de carro, o perfil da força durante o acidente pode variar, por exemplo, você deve levar em conta que o carro entra em colapso e que um ser humano não é uma massa pontual, mas um corpo complexo. No entanto, você ainda pode fazer algumas estimativas da força de impacto durante um acidente de carro.

Dê uma olhada na figura abaixo. No início, o motorista está sentado no carro em movimento constante com velocidade $v$. Em seguida, o carro bate na árvore e para imediatamente. O motorista voa para frente devido à inércia até ser subitamente parado pelo impacto na coluna de direção ou no para-brisa. A distância de parada é muito curta porque nenhum dos objetos que colidem (incluindo o corpo e, por exemplo, o para-brisa) têm a capacidade de contrair e manter suas formas. Esses objetos geralmente são densos; você pode encontrar a densidade dos materiais mais comuns com nossa calculadora de densidade, para fazer uma comparação. Podemos estimar que a distância de parada seja de aproximadamente $4\ \mathrm{cm}$ em nosso caso (você pode alterá-la nas Variáveis Adicionais desta calculadora de força de impacto).

Como calcular a força de impacto que atua em um motorista com uma massa de $70\ \mathrm{kg}$? Vamos usar nossa calculadora de colisão de carros! Se a velocidade inicial do carro for $30\ \mathrm{km/h}$ e a distância da colisão for $4\ \mathrm{cm}$, então, a força de impacto será de aproximadamente $60\ \mathrm{kN}$. É uma equivalência de 6 toneladas! É como se alguém colocasse um grande bloco de pedra em seu peito. Por outro lado, o tempo de parada é de apenas $9,\!6\ \mathrm{ms}$, o que significa que para reduzir a velocidade do motorista de $30\ \mathrm{km/h}$ para zero, ele precisa desacelerar quase 89 vezes mais rápido do que a gravidade da Terra.

A principal tarefa dos cintos de segurança e dos airbags é a mesma. Ambos estendem a distância da colisão. Suponha que você tenha a mesma situação de antes. O motorista do $70\ \mathrm{kg}$ dirige um carro a uma velocidade de 30 km/h, mas, desta vez, ele está preso firmemente em um cinto de segurança. O cinto de segurança se esticará ligeiramente quando a força de impacto for aplicada. Podemos dizer que ele pode se expandir em cerca de $20\ \mathrm{cm}$ (você pode alterar isso nas Variáveis Adicionais dessa calculadora de força de impacto).

Novamente, após usar a calculadora de colisões de carro, você pode obter a força média de impacto de cerca de $2,\!5\ \mathrm{kN}$, que é quase 25 vezes menor do que sem o cinto de segurança. Isso corresponde a um peso de $1,\!24\ \mathrm{t}$. O tempo de parada aumenta para $48\ \mathrm{ms}$, e agora o motorista desacelera "apenas" 18 vezes mais rápido do que com a gravidade padrão da Terra, g.

Resumindo, o cinto de segurança foi projetado para impedir que seu corpo bata em objetos duros no carro e reduzir a força de impacto que você sofre, distribuindo-a ao longo do tempo. Ocasionalmente, o cinto de segurança pode contribuir para lesões internas graves ou até mesmo para a morte se a força do impacto for muito grande. No entanto, hoje em dia, os cintos de segurança têm um mecanismo que os rompe em um nível predefinido de estresse. Normalmente, ainda há airbags colocados na frente do motorista para aumentar sua segurança.

Demos um exemplo com o motorista, mas qualquer pessoa no veículo está sujeita a esses perigos. Se você bater em um caminhão pesado, não importa se está sentado atrás do volante ou no banco de trás do carro.

Mesmo em colisões de baixa velocidade, a força de impacto que para seu corpo está na faixa de toneladas. Você simplesmente não conseguirá se segurar e evitar lesões sem os cintos de segurança apertados. Além disso, se você se sentar na parte de trás do carro e não estiver preso por um cinto de segurança, você voará para frente como uma pedra de várias toneladas. Você não só se machucará como também machucará seu amigo que está à sua frente!

Essa é uma daquelas perguntas que não tem uma resposta inequívoca. Quanto mais pesado for o carro, mais difícil será pará-lo, e a força do impacto é menor. O veículo parará imediatamente se bater na parede de uma casa, mas a situação será diferente se ele bater em outro carro que esteja no trânsito. Portanto, devemos levar em conta muitos fatores diferentes.

Em geral, a alta velocidade não causa lesões graves. O que é perigoso para um ser humano é a alta aceleração ou desaceleração em um período específico. A National Highway Traffic Safety Administration (NHTSA) é uma agência que realiza pesquisas sobre segurança no trânsito em todo o mundo. Ela descreve sua missão como Salvar vidas, prevenir lesões, reduzir acidentes relacionados a veículos. A NHTSA afirma que "a aceleração máxima do tórax não deve exceder 60 g por períodos superiores a 3 milissegundos" (fonte: NHTSA).

Com nossa calculadora de colisões de carro, você aprendeu que as acelerações durante acidentes de carro podem ser muito maiores do que 60 g sem cintos de segurança apertados. Portanto, use-os e salve sua vida! A NHTSA afirma que os cintos de segurança reduzem as taxas de mortalidade em 45% e o risco de lesões em 50%.