0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Складываются ли скорости при лобовом столкновении автомобилей

Почему при столкновении легкового автомобиля с грузовым

Американский страховой институт дорожной безопасности (IIHS) провёл серию краш-тестов боковых противоподкатных брусьев на полуприцепах грузовиков, чтобы выяснить, насколько полезна эта деталь. Напомним, что противоподкатным брусом называется металлический упор, размещаемый в задней или боковой части грузовиков. Он нужен для предотвращения попадания под машину более низких автомобилей при попутном или боковом столкновении.

Такие аварии чреваты серьёзными последствиями, так как легковой автомобиль врезается в грузовик или прицеп фактически стойками крыши, а в лучшем случае — крышкой капота. Элементы пассивной безопасности легковых автомобилей, которые должны принимать удар на себя, в этом случае остаются не у дел. Что происходит дальше, нетрудно себе представить. Машина ныряет под грузовик и, как показывает опыт, в такой аварии почти нет шансов выжить.

К примеру, в США в 2015 году при столкновении легковых автомобилей с полуприцепами грузовиков разбились насмерть 1542 человека, 292 из которых погибло при попутном столкновении, а 301 — при боковом. Значительно снизить тяжесть последствий такой аварий может металлический брус, установленный в задней или боковой части грузовика и полуприцепа. Он помогает системам пассивной безопасности отрабатывать должным образом, принимая удар на себя.

Если быть точным, то исследование, проведённое специалистами IIHS, предполагает, что противоподкатный брус снижает риск получения травм пассажирами легкового автомобиля на 90%. Увы, законодательство требует обязательного наличия этой детали на грузовиках лишь в задней части, но не в боковых. А зря, ведь краш-тесты довольно наглядно показывают, что брус работает и может спасать жизни людей, по стечению обстоятельств угодивших под полуприцеп.

Американский страховой институт дорожной безопасности устроил испытания бокового противоподкатного бруса марки AngelWing, установив его на пустом полуприцепе длиной 16 метров, запустив в него седан Chevrolet Malibu со скоростью 56 км/ч. Результат впечатляет: при подобном столкновении в легковом автомобиле все останутся живы. Заодно был проведён краш-тест с использованием аэродинамического щита из стекловолокна, который улучшает обтекаемость автопоезда.

Его результат ожидаемо оказался довольно плачевным: «юбка» по низу прицепа не способна хоть сколько-нибудь задержать автомобиль от удара крышей. Машина ныряет под грузовик и застревает в нём. Вместе с пассажирами.

ПРОСТОЙ ОТВЕТ

Действительно, полная энергия, которая должна быть рассеяна с помощью смятия металла кузова, вдвое выше при столкновении двух машин лоб в лоб, нежели при ударе одного автомобиля о кирпичную стену. Но при лобовом столкновении увеличивается расстояние смятия металла кузовов обеих машин.

Поскольку изгиб металла – это то место, где идет вся эта кинетическая энергия, то при столкновении двух машин лоб в лоб энергии будет поглощаться в два раза больше, поскольку она будет поглощаться двумя автомобилями, в отличие от удара об кирпичную стену, где кинетическая энергия будет поглощаться одной машиной.

Таким образом, скорость замедления и сила лобового удара на скорости 100 км/час будет примерно той же, что и при ударе на 100 км/час в кирпичную неподвижную стену. Поэтому последствия для двух автомобилей, двигающихся с одинаковой скоростью и столкнувшихся лоб в лоб, будут примерно такими же, как если бы один автомобиль с той же скоростью врезался в неподвижную стену.

Столкновение со стенкой на скорости 100 км/ч, неприятный сюрприз


Две одинаковые машины, каждая из которых движется со скоростью 100 км/ч, сталкиваются лоб в лоб. Равносильно ли это столкновению с бетонной стеной на скорости 200 км/ч?

Абсолютно упругий велосипедист на скорости 100 км/ч сталкивается лоб в лоб с тяжелым поездом, также двигающимся со скоростью в 100 км/ч. Отскочит ли при этом велосипедист со скоростью 300 км/ч?

Если на вопросы вы ответили «нет, да«, то вы правы и ничего нового я вам не расскажу. А остальных приглашаю под кат. Никакой софистики там нет.

Столкновение двух машин

В действительности лобовое столкновение одинаковых машин на скорости 100 км/ч равносильно столкновению с тяжелой стеной на скорости 100 км/ч. Попробуем разобраться.

Рассмотрим центр масс этих двух машин, он находится строго посередине между ними. В ходе столкновения этот центр не смещается. Причем, неважно, будут автомобили абсолютно упругими, абсолютно неупругими или настоящими. Таким образом, в этой точке мы можем поставить виртуальную стену. Заметьте так же, что каждая из двух машин поглотит половину суммарной энергии системы. Точно такую же энергию (mV 2 /2) поглотит автомобиль, влетающий в стену на той же скорости.

Таким образом, сравнивать это столкновение со столкновением в 200 км/ч неправомерно.

Столкновение велосипедиста с поездом

Покажем, что абсолютно упругий велосипедист отскочит от поезда со скоростью 300 км/ч.

Абсолютная упругость позволит велосипедисту не превратиться в лепешку, потеряв всю свою энергию и скорость, а также путешествовать дальше на лобовом стекле поезда.

Пусть скорость велосипедиста v, а скорость поезда W. Скорости скалярны (рисунок 1).

  1. Для начала перейдем в систему отсчета поезда. По теореме о сложении скоростей он превратится в неподвижный объект, а вот скорость велосипеда увеличится и станет равной v+W (рисунок 2)
  2. Так как соударение абсолютно упругое, отскочит велосипедист с той же скоростью v+W (рисунок 3)
  3. Перейдем обратно в систему отсчета неподвижного наблюдателя. Все объекты начнут двигаться налево на W быстрее. Поезд снова поедет, а скорость велосипедиста увеличится до v+2W (рисунок 4)
  4. А так как в нашем примере v=W=100 км/ч, то скорость велосипедиста станет равной 300 км/ч

Аналогичными рассуждениями с учетом законов сохранения импульсов и энергии выводится формула для скоростей при упругом столкновении


Здесь ui — скорости до столкновения, vi — после, а mi — массы. Скорости векторные. Устремив m2 в бесконечность, мы получим тот же результат (не забывайте, что у нас u1 и u2 разнонаправлены).

Заключение

Я надеюсь, задача не слишком тривиальна для посетителей Хабра, а мои рассуждения оказались понятны Вам. В противном случаем я рискую оказаться заминусованным. Если Вы не согласны с каким-то из пунктов, или он не достаточно понятен, пожалуйста, укажите номер пункта в комментарии.

Одинаковая ли энергия удара и последствия при столкновении со стоящим автомобилем или неподвижной стеной?

Это еще один распространенный миф среди автолюбителей, который связан с тем, что если на скорости, например, в 100 км/час столкнуться со стоящим автомобилем, то сила удара будет точно такой же, как если бы автомобиль на скорости в 100 км/час влетел в неподвижную стену. Но и это не так. Это чистый воды миф, который основан на незнании элементарной физики.

Итак, представим себе ситуацию, что один автомобиль движется со скоростью 100 км/час и на полном ходу сталкивается с точно такой же машиной, стоящей на дороге. В момент удара один автомобиль, продолжая свое движение, будет толкать другой автомобиль. В итоге обе машины отлетят от места столкновения. В момент удара кинетическая энергия будет поглощаться деформацией кузова обоих автомобилей. То есть энергия удара также поделится между двумя автомобилями. В случае же с ударом в неподвижную стену одного автомобиля на скорости в 100 км/час деформация кузова будет только у одного автомобиля. Соответственно, сила удара и его последствия для машины будут больше, чем при ударе на скорости одного автомобиля в другой, который стоит на месте.

Не секрет, что с безопасностью автомобиля связано множество мифов. В форумах, ЖЖ и офлайновых дискуссиях полно советов на тему того, какой автомобиль безопаснее и как лучше себя вести в аварийной ситуации. Большинство этих советов если не бесполезны, то малоосмысленны – человек советует покупать «пятизвездочный» автомобиль по EuroNCAP, а почему, как, собственно, и что эти звезды значат – объяснить не может. В частности, практически никто не понимает, как «звезды» соотносятся с вероятностью серьезно пострадать в аварии конкретного типа и при конкретной скорости. Понятно, что чем больше звезд – тем лучше, но насколько это «лучше» и где проходит безопасный предел? Пользователь LiveJournal 0serg посчитал, как, на чем и куда безопаснее врезаться, и разбил в пух и прах теорию EuroNCAP-овских «звезд».

Один из крайне распространенных мифов состоит в том, что очень часто, когда говорят о лобовом ударе автомобилей, скорости этих автомобилей складывают. Вася ехал 60 км/ч, а со встречки на него вылетел Петя на скорости 100 км/ч, удар – ну и сами понимаете, что там на 100+60 = 160 км/ч от машин осталось. Это – грубейшая ошибка. Реальная «эффективная скорость удара» для машин обычно будет равна приблизительно средней арифметической скоростей Васи и Пети – т.е. около 80 км/ч. И именно эта скорость (а не обывательские 160) и приводит к развороченным автомобилям и человеческим жертвам.

«На пальцах» происходящее можно пояснить таким образом: да, при ударе энергия двух автомобилей суммируется – но и поглощают ее тоже два автомобиля, поэтому на каждый автомобиль приходится лишь половина суммарной энергии удара. Корректный расчет происходящего при ударе доступен даже школьнику, хотя и требует определенной смекалки и воображения. Представим себе, что автомобили в момент удара скользят по ровному шоссе без сопротивления (учитывая, что удар происходит за очень короткое время и действующие на машины силы удара гораздо выше сил трения со стороны асфальта – даже при интенсивном торможении это допущение можно считать вполне справедливым). В этом случае движение при ударе будет полностью описываться одной-единственной силой – силой сопротивления сминаемых корпусов металла. Эта сила, по 3-му закону Ньютона, для обеих машин одинакова, но направлена в противоположные стороны.

Мысленно поставим между машинами тонкий, невесомый лист бумаги. Обе силы сопротивления (первой машины и второй) будут действовать «через» этот лист, но поскольку эти силы равны и противонаправленны, то они полностью компенсируют друг друга. А стало быть, на протяжении всего удара наш лист будет двигаться с нулевым ускорением – или, другими словами, с постоянной скоростью. В инерциальной системе координат, связанной с этим листом, обе машины как бы «врезаются» с разных сторон в этот неподвижный лист бумаги – до тех пор, пока не остановятся либо (одновременно) не отлетят от него. Вспоминаете методику EuroNCAP где машины врезаются в неподвижный барьер? Удар о наш гипотетический «лист бумаги» в нашей специальной системе координат будет равносилен удару о массивный бетонный блок на той же скорости.

Как посчитать скорость листа бумаги? Это довольно просто – достаточно вспомнить механику соударений из школьной программы. В какой-то момент оба автомобиля «останавливаются» относительно системы координат листа бумаги (это происходит в то мгновение, когда автомобили начинают разлетаться в разные стороны), что позволяет нам записать закон сохранения импульса. Считая массу одного автомобиля m1 и скорость v1, а другого – m2 и скорость v2, получаем скорость листа бумаги v по формуле

(m1+m2)*v = m1*v1 – m2*v2

v = m1/(m1+m2)*v1 – m2/(m1+m2)*v2

Для столкновения в «попутном» направлении скорость второй машины следует считать со знаком «минус».
Относительные скорости машин относительно бумаги (т.е. «эквивалентная скорость удара о бетонный блок») соответственно равны

u1 = (v1-v) = m2/(m1+m2) * (v1+v2)

u2 = (v+v2) = m1/(m1+m2) * (v1+v2)

Таким образом, «эквивалентная скорость» лобового удара действительно пропорциональна сумме скоростей автомобилей – однако берется она с неким «поправочным коэффициентом», учитывающим соотношение масс автомобилей. Для автомобилей равной массы он равен 0,5, т.е. суммарную скорость нужно поделить пополам – что и дает нам упомянутое в начале заметки типичное для подобных аварий «среднее арифметическое». В случае столкновения машин разной массы картина будет существенно иной – «тяжелая» машина пострадает меньше, чем «легкая», причем если различия в массе достаточно велики – разница будет колоссальной. Это типичная ситуация для аварий класса «влетела легковушка в груженый грузовик» – последствия такого удара для легковушки близки к последствиям удара на полноценной «суммарной» скорости, в то время как «грузовик» отделывается небольшими повреждениями, т.к. для него «эквивалентная скорость удара» оказывается равной десятой, а то и двадцатой доле суммарной скорости.

Итак, мы научились считать «эквивалентную скорость удара» по очень простой формуле: нужно сложить скорости (для удара в попутном направлении – вычесть), а затем определить, какую долю массы составляет ЧУЖАЯ машина от суммарной массы ваших машин и умножить этот коэффициент на посчитанную скорость. Прикидочные значения коэффициента:

Машины примерно одинаковой весовой категории: 0.5

Малолитражка vs легковушка: малолитражка 0.6, легковушка 0.4

Малолитражка vs джип: малолитражка 0.75, джип 0.25

Легковушка vs джип: легковушка 0.65, джип 0.35

Легковушка vs грузовик: легковушка >0.9, грузовик 0.8, грузовик

0 0 голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector