Вес машины и безопасность на дороге

Наткнулся в интернете на очень интересную статью, в которой доходчиво и понятно объяснено то, о чем многие забывают, когда превышают скорость или находятся в автомобиле будучи непристегнутым. Предлагаю ее вашему вниманию. Ссылки на источник приведены ниже.

Не секрет, что с безопасностью автомобиля связано множество мифов. В форумах, ЖЖ, и оффлайновых 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, и что эти звезды значат — объяснить не может. В частности, практически никто не понимает, как "звезды" соотносятся с вероятностью серьёзно 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?

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 Махмуд на 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 Махмуда — 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 её тоже два автомобиля, поэтому на каждый автомобиль приходится лишь половина суммарной энергии удара. Корректный расчёт происходящего при ударе доступен даже школьнику, хотя и требует опредёленной смекалки и воображения. Представим себе, что наши 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 3му 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 противонаправлены — то они полностью скомпенсируют 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 времени 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 своего автомобиля m1 и скорость v1, а массу другого — m2 и скорость v2, получаем скорость листа бумаги v по формуле

(m1+m2)*v = m1*v1 — m2*v2

откуда

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 — то разница будет колоссальной. Это типичная ситуация для аварий класса "влетела легковушка в тяжело 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 доли 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 <0.1
Джип vs грузовик: джип >0.8, грузовик <0.2

Конкретный пример: возьмём аварию в которой погиб Бачинский. Масса его VW Golf составляла, видимо, около 1.3 тонны, масса встречного VW Transporter — не менее 2.0 тонн, суммарная скорость при ударе — около 200 км/ч. Для машины Бачинского это соответствовало удару о неподвижное препятствие на скорости более 2.0/(1.3+2.0)*200 = 120 км/ч; для VW Transporter — менее 80 (при полной загрузке Transporter до массы в 3 тонны — 140 и 60 км/ч)

Другой пример: джип Porshe Cayenne массой 2.5 тонны на перекрестке врезается на скорости 100 км/ч в едва начавший левый поворот Ford Focus II массой 1.3 тонны. Суммарная скорость — 100 км/ч, эквивалентная скорость удара для Cayenne — 35 км/ч, а для FF2 — 65 км/ч.

Пока всё понятно? Тогда едем дальше.

Основная угроза для жизни водителя при ударе определяется (в случае если он пристегнут) деформацией салона автомобиля. Эта деформация, в свою очередь, примерно пропорциональна поглощённой энергии удара. А эта энергия определяется старой доброй формулой "эм вэ в квадрате пополам", т.е. уже для 80 км/ч она будет в 1.5 раза больше "номинальной" энергии EuroNCAP, на 100 км/ч — в 2.5 раза больше, на 120 км/ч — в 3.5 раза больше, на 140 км/ч — почти в 5 раз больше. Поэтому

Реальная безопасность EuroNCAP-овских автомобилей обеспечивается ТОЛЬКО ПРИ ЭФФЕКТИВНОЙ СКОРОСТИ УДАРА МЕНЕЕ 80 КМ/Ч.

Иными словами, все что выше 80 — потенциально опасно для жизни НЕВЗИРАЯ НА ТИП АВТОМОБИЛЯ. Горе-гонщиков на дорогих автомобилей реально спасают лишь "понижающие коэффициенты" упомянутые выше — даже при суммарной скорости в 200 км/ч они, как было показано, обычно снизят эффективную скорость существенно более тяжёлой машины до 80 км/ч и менее. Да и тормоза обычно позволяют успеть сбросить хотя бы 20-30 км/ч (а чаще — больше) в последний момент — отсюда и кажущаяся безопасность дорогих джипов. Но при ударе о прочное неподвижное препятствие либо о грузовик все закончится гораздо печальнее. Прочность машины на 100 км/ч — понятие весьма условное! Скорости до 80 км/ч на современных машинах практически безопасны в любой ситуации, но водитель, летящий со скоростью 140+ км/ч — это с большой долей вероятности убийца либо себя, либо другого водителя.

Надо отметить, что с этой особенностью связан характерный миф о "плохой безопасности" легковых машин, особенно малолитражных и отечественного производства. Обычно в его подтверждение приводят красноречивые примеры лобового столкновения подобной машинки с каким-нибудь представительским автомобилем или джипом — но Вы, полагаю, теперь уже догадываетесь, что основной причиной подобного кошмара становится не столько "низкая прочность" этих машин, сколько низкая масса, из-за которой последствия для лёгкой машины заведомо будут в разы сильнее последствий для тяжёлой. Качество реализации пассивной безопасности машины в подобных ударах уже отходит на второй план. Однако во всех других авариях (вылет с трассы, удар о грузовик, удар с примерно таким же автомобилем) ситуация будет далеко не столь драматичной. Для тяжелых авто справедливы прямо противоположные соображения.

Коротко пройдусь по непристёгнутым ремням безопасности. При ударе о препятствие непристегнутый человек летит на баранку со скоростью, примерно равной эффективной скорости удара. Скорость, которую набирает человек падающий с пятого этажа здания при ударе о землю — менее 60 км/ч. Выживает примерно половина. Скорость которую набирает человек падающий с девятого этажа — около 80 км/ч. Выживают считанные проценты. Подушки безопасности и удачно выбранная поза позволяют смягчить последствия (сделав выживание на 60 км/ч весьма вероятным, а на 80 — более реальным), но я бы сильно на них не рассчитывал. Буквально плюс 40 км/ч к относительно безопасному значению (которое, как я уже заметил, в типичных авариях ближе к 60) — и Вы гарантированный труп, что бы Вы не делали, и какая бы продвинутая система безопасности у Вас в машине не была. Запас прочности у пристёгнутых гораздо выше — там критической будет плюс 100 км/ч к безопасной скорости, и выйти за эти пределы будет не так просто. В неудачных ситуациях (вылет на обочину или под грузовик) обе цифры следует поделить пополам.

Практические советы:

1. Не превышайте сильно скорость. Шансы погибнуть после 120 км/ч растут ОЧЕНЬ быстро, хотя для тяжёлых автомобилей безопасный верхний предел обычно несколько выше — увы, за счёт безопасности окружающих.
2. Если превышаете — пристёгивайтесь. Хотя для относительно небольших скоростей (0-100) без ремня достаточно много шансов выжить, в диапазоне скоростей 100-140 при аварии часто непристёгнутые = трупы.
3. Современный тяжёлый автомобиль почти всегда значительно безопаснее в авариях с БОЛЕЕ ЛЕГКИМИ автомобилями. К авариям с участием грузовиков или вылетом с трассы данное соображение не относится. Не забывайте только, что большая масса далеко не всегда компенсирует плохую пассивную безопасность — старье 20-летней давности настолько хуже современных 4-5-звездочных автомобилей, что его вообще мало что может спасти при аварии
4. Удар о неподвижное тяжёлое препятствие на обочине для тяжёлой машины опаснее лобового столкновения. Для лёгкой машины все наоборот.
5. Удар о неподвижную машину и тем более — машину двигающуюся в попутном направлении всегда ГОРАЗДО безопаснее удара о неподвижное тяжёлое препятствие на обочине
6. Если Вы видите, что сейчас будет авария, а уворачиваться уже поздно — тормозите, как то и предписано делать в ПДД. Пытаться вылететь на обочину не сбрасывая скорости обычно как минимум не менее опасно.
7. Исключением из пункта 6 является только тот случай, когда Вам в лоб на большой скорости летит грузовик — тут лучше делать что угодно, но с его пути уходить. Но это ситуация мне в реальной жизни пока не встречалась ни разу (а чтобы самим не вылетать на грузовики на большой скорости — см. пункт 1).

UPD: _slw (users.livejournal.com/_slw/) справедливо заметил (0serg.livejournal.com/132…tml?thread=904068#t904068), что к написанному выше расчету можно добавить еще нехитрое соображение о том, что перегрузка, испытываемая человеком при аварии есть функция скорости и деформации кузова машины. Чем меньше деформация — тем выше перегрузка (обратно пропорционально величине деформации), чем выше скорость — тем выше перегрузка (растет квадратично). Примерно вот так:

g ~= C * v^2 / (d + c)

где v — скорость, d — величина деформации (уменьшение длины автомобиля от водительского сиденья до бампера авто), c — константа одинаковая для большинства автомобилей (определяется посадкой водителя и расстоянием до руля), C — "константа безопасности", определяемая наличием ремней, преднатяжителей ремня и подушками безопасности, и не очень маленькая (абсолютный минимум — 0.5, и все современные машины от него находятся недалеко)

Считая что деформация пропорциональна скорости — ускорение при небольших ударах будет относительно невелико, но затем быстро начнет расти, и на больших скоростях — будет увеличиваться почти линейно. Поскольку вероятность травмы зависит (при отсутствии прямых повреждений обломками) как раз от величины перегрузки, то это задает своего рода фундаментальное ограничение на безопасность автомобиля — при определенных скоростях даже из абсолютно неповрежденного салона со всеми сработавшими системами безопасности извлекут дохлый трупик. Там же видно, что небольшая деформация авто — это не только большая защита от травмы типа "зажало ноги двигателем", но и значительно большие перегрузки при ударе, что на больших скоростях делает бессмысленным создание слишком жестких авто.

Источник: 0serg.livejournal.com/132996.html
Пользователь Livejournal 0serg: 0serg.livejournal.com/