La sicurezza automobilistica ha fatto molta strada negli ultimi decenni e una delle innovazioni più efficaci è la zona di deformazione . Conosciuta anche come zona di schiacciamento , le zone di deformazione sono aree di un veicolo progettate per deformarsi e accartocciarsi in caso di collisione. Questo assorbe parte dell'energia dell'impatto, impedendo che venga trasmessa agli occupanti.
Naturalmente, mantenere le persone al sicuro negli incidenti automobilistici non è così semplice come far crollare l'intero veicolo. Gli ingegneri devono considerare molti fattori nella progettazione di auto più sicure, comprese le dimensioni e il peso del veicolo, la rigidità del telaio e le sollecitazioni a cui è probabile che l'auto venga sottoposta in caso di incidente. Ad esempio, le auto da corsa subiscono impatti molto più gravi rispetto alle auto da strada e i SUV spesso si schiantano con più forza rispetto alle auto di piccole dimensioni.
Scopriremo come le zone di deformazione ridistribuiscono le forze coinvolte in un incidente, di cosa sono fatte le zone di deformazione e conosceremo alcuni altri sistemi di sicurezza avanzati che sono in fase di test in questo momento. Scopriremo anche come le zone di deformazione sono state incorporate nelle auto da corsa e perché un certo numero di vittime delle corse avrebbe potuto essere evitato se lo sport avesse adottato queste caratteristiche di sicurezza prima. Daremo anche un'occhiata alle zone di deformazione progettate per assorbire il massiccio impatto di una collisione ferroviaria.
Per scoprire le forze coinvolte in una collisione e per sapere come una zona di deformazione ben progettata può ridurre al minimo le lesioni degli occupanti, leggi la pagina successiva.
Cosa c'è in una zona di deformazione?Le specifiche dei design delle zone di deformazione sono generalmente informazioni proprietarie che le case automobilistiche sono riluttanti a divulgare. Possono variare notevolmente, a seconda delle dimensioni e del peso del veicolo. I progettisti devono trovare un equilibrio tra troppa resistenza agli urti e poca resistenza agli urti. I progetti semplici possono includere segmenti di telaio costruiti per piegarsi in determinate aree o collassare su se stessi. I progetti più avanzati possono utilizzare una varietà di metalli e altri materiali accuratamente progettati per assorbire quanta più energia cinetica possibile. Le auto ad alte prestazioni utilizzano spesso un design a nido d'ape, che offre rigidità in condizioni normali, ma può crollare e accartocciarsi in caso di incidente.
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Ogni volta che un'auto è coinvolta in un incidente, sono all'opera intense forze cinetiche. Una determinata quantità di forza è presente durante qualsiasi incidente. I numeri effettivi variano in base alla velocità e alla massa dell'auto e alla velocità e massa di qualunque cosa colpisca. I fisici misurano questa forza come accelerazione -- anche quando si passa da una velocità elevata a una velocità inferiore, qualsiasi variazione di velocità nel tempo viene scientificamente definita accelerazione. Per evitare confusione, chiameremo decelerazione l'accelerazione dell'urto .
Le zone di deformazione realizzano due obiettivi di sicurezza. Riducono la forza iniziale dell'incidente e ridistribuiscono la forza prima che raggiunga gli occupanti del veicolo.
Il modo migliore per ridurre la forza iniziale in un incidente con una data quantità di massa e velocità è rallentare la decelerazione. Hai visto tu stesso questo effetto se hai dovuto sbattere i freni per qualsiasi motivo. Le forze che subisci in un arresto di emergenza sono molto maggiori rispetto a quando rallenti gradualmente per un semaforo. In una collisione, rallentare la decelerazione anche di pochi decimi di secondo può creare una drastica riduzione della forza coinvolta. La forza è una semplice equazione:
Dimezzare la decelerazione dimezza anche la forza. Pertanto, la modifica del tempo di decelerazione da 0,2 secondi a 0,8 secondi comporterà una riduzione del 75% della forza totale.
Le zone di deformazione realizzano questo creando una zona cuscinetto attorno al perimetro dell'auto. Alcune parti di un'auto sono intrinsecamente rigide e resistenti alla deformazione, come l'abitacolo e il motore. Se quelle parti rigide colpiscono qualcosa, decelereranno molto rapidamente, generando molta forza. Circondare quelle parti con zone di deformazione consente ai materiali meno rigidi di subire l'impatto iniziale. L'auto inizia a decelerare non appena la zona di deformazione inizia ad accartocciarsi, estendendo la decelerazione di alcuni decimi di secondo in più.
Le zone di deformazione aiutano anche a ridistribuire la forza dell'impatto. Tutta la forza deve andare da qualche parte:l'obiettivo è allontanarla dagli occupanti. Pensa alla forza coinvolta in un incidente come a un budget di forza. Tutto ciò che accade all'auto durante un impatto e ogni persona all'interno dell'auto al momento dell'impatto spende parte della forza. Se l'auto colpisce un oggetto non fermo, come un'auto parcheggiata, una certa forza viene trasferita a quell'oggetto. Se l'auto colpisce qualcosa con un colpo di striscio e gira o rotola, gran parte della forza viene spesa per girare e rotolare. Se parti dell'auto volano via, viene spesa ancora più forza. Ancora più importante, il danno all'auto stessa spende forza. Piegare parti del telaio, frantumare pannelli della carrozzeria, frantumare vetri:tutte queste azioni richiedono energia. Pensa a quanta forza è necessaria per piegare il telaio in acciaio di un'auto. Quella quantità di forza viene spesa per piegare il telaio, quindi non viene mai trasmessa agli occupanti.
Le zone di deformazione si basano su questo concetto. Parti dell'auto sono costruite con strutture speciali al loro interno progettate per essere danneggiate, accartocciate, schiacciate e rotte. Spiegheremo a breve le strutture stesse, ma l'idea fondamentale è che ci vuole forza per danneggiarle. Le zone di deformazione impiegano quanta più forza possibile in modo che altre parti dell'auto e gli occupanti non ne subiscano gli effetti.
Allora perché non trasformare l'intera macchina in una gigantesca zona di deformazione? E se hai bisogno di spazio per una zona di deformazione per assorbire l'impatto, come si costruisce un'auto compatta con zone di deformazione? Lo spiegheremo nella prossima sezione.
L'inventore della zona Crumple
Béla Barényi era un ingegnere e inventore che ha trascorso gran parte della sua carriera lavorando per Daimler-Benz. Il suo nome compare su più di 2.500 brevetti. Uno di questi brevetti, rilasciato nel 1952, spiega come si potrebbe progettare un'auto con aree nella parte anteriore e posteriore costruite per deformarsi e assorbire l'energia cinetica in caso di impatto. Ha messo in pratica il concetto nel 1959 sulla Mercedes-Benz W111 Fintail, la prima auto a utilizzare le zone di deformazione [fonte:Ufficio tedesco dei brevetti e dei marchi].
L'assorbimento e il reindirizzamento dell'impatto è ottimo, ma non è l'unico problema di sicurezza di cui i progettisti di automobili devono preoccuparsi. L'abitacolo dell'auto deve resistere alla penetrazione di oggetti esterni o altre parti dell'auto e deve restare unito in modo che gli occupanti non vengano sbalzati fuori. Non puoi trasformare un'intera macchina in una zona di deformazione perché non vuoi che anche le persone al suo interno si deformino. Ecco perché le auto sono progettate con un telaio rigido e robusto che racchiude gli occupanti, con zone di deformazione nella parte anteriore e posteriore. La riduzione e la ridistribuzione della forza avviene all'interno dell'abitacolo attraverso il
uso degli airbag.
Ci sono alcune parti di automobili che semplicemente non possono accartocciarsi. Il motore è il principale colpevole:nella maggior parte dei veicoli, il motore è un grande e pesante blocco di acciaio. Nessun accartocciamento lì. Lo stesso vale per i veicoli con blocchi motore in alluminio. A volte, le auto devono essere riprogettate per spostare il motore più indietro nel telaio per ospitare una zona di deformazione più ampia. Tuttavia, anche questo può causare problemi:se il motore viene respinto nell'abitacolo a seguito di un impatto, può causare lesioni.
Anche i serbatoi di carburante e le batterie, nei veicoli elettrici o ibridi, devono essere protetti dagli urti per prevenire incendi o l'esposizione a sostanze chimiche tossiche. Possono essere progettati in modo che una sezione del telaio protegga il serbatoio, ma quella parte del telaio può piegarsi per evitare l'impatto. Ad esempio, se un'auto ha il tamponamento, il telaio si piega, sollevando il serbatoio del gas e assorbendo un po' di impatto. Le auto più recenti hanno sistemi che interrompono l'alimentazione di carburante al motore durante un incidente e la Tesla Roadster, un'auto elettrica ad alte prestazioni, ha un sistema di sicurezza che spegne i pacchi batteria e scarica tutta l'energia elettrica dai cavi che corrono in tutta l'auto quando rileva un'emergenza [fonte:Tesla Motors].
Naturalmente, è facile costruire zone di deformazione in un veicolo di grandi dimensioni con molto spazio per accartocciarsi prima che l'abitacolo venga colpito. La progettazione di zone di deformazione in piccoli veicoli richiede un po' di creatività. Un buon esempio è la smart fortwo, una piccolissima
ed efficiente veicolo. Il guidatore e il passeggero sono racchiusi nella cellula di sicurezza tridion, una struttura in acciaio con un'ottima rigidità per le sue dimensioni. La geometria è progettata per distribuire gli impatti su tutto il telaio. Nella parte anteriore e posteriore della smart fortwo ci sono quelle che smart chiama crash box . Si tratta di piccole strutture in acciaio che crollano e si accartocciano per assorbire gli impatti. Poiché le crash box sono così piccole, sono state utilizzate altre caratteristiche di assorbimento degli urti per integrarle. Ad esempio, la trasmissione può fungere da ammortizzatore in caso di collisione frontale. Il passo corto della fortwo significa che quasi tutti gli impatti riguarderanno pneumatici, ruote e sospensioni. Questi componenti sono stati progettati per deformarsi, staccarsi o rimbalzare, aiutando ad assorbire ancora più energia cinetica durante un impatto [fonte:smart USA].
Successivamente, vedremo come le zone di deformazione contribuiscono a mantenere in vita il tuo pilota di auto da corsa preferito.
Crumple zone sui treni
Abbiamo parlato dell'incredibile forza cinetica che agisce quando un'auto si schianta, ma immagina la forza coinvolta quando due treni si scontrano. A causa dell'immenso peso di un treno, una collisione può creare forze decine o addirittura centinaia di volte maggiori di quelle in un incidente d'auto. Tuttavia, le zone di deformazione possono essere utilizzate anche in queste circostanze estreme. Utilizzando simulazioni al computer 3D, gli ingegneri possono costruire una zona di deformazione che si deformerà in modo costante e uniforme durante l'impatto, assorbendo la massima forza possibile. Le zone di deformazione vengono quindi posizionate su entrambe le estremità di ogni carrozza in un treno passeggeri. In caso di collisione, la reazione a catena delle auto che sbattono l'una contro l'altra distribuisce la forza in tutte le zone di deformazione del treno. Ciò potrebbe assorbire abbastanza forze d'impatto per prevenire lesioni ai passeggeri [fonte:Machine Design].
Anche se non sei un fan delle corse automobilistiche, probabilmente hai visto immagini di incidenti spettacolari in cui le auto cadono lungo la pista, lanciando parti in ogni direzione mentre l'auto viene letteralmente distrutta. Eppure, miracolosamente, l'autista esce dal relitto contorto e se ne va illeso. Mentre questi incidenti sembrano orribili, tutta quella distruzione spettacolare sta consumando energia cinetica. Probabilmente non è un viaggio divertente per il guidatore, ma l'auto sta facendo esattamente ciò per cui è stata progettata in questa situazione:proteggere la persona al posto di guida.
Ci sono state anche rare occasioni in cui un'auto da corsa ha colpito un oggetto solido ad alta velocità, come l'incidente del pilota NASCAR Michael Waltrip a Bristol nel 1990. Ha colpito l'estremità smussata di un muro di cemento a velocità da corsa e l'auto si è fermata improvvisamente . L'impatto ha generato forze enormi, ma Waltrip è rimasto illeso. Il motivo è evidente guardando i resti della sua auto quel giorno. Fu completamente e completamente distrutto. Tutta quella forza è stata spesa per la distruzione dell'auto. Chiaramente, l'incidente è andato ben oltre le capacità di qualsiasi zona di deformazione, e in effetti è stata semplicemente una questione di fortuna che nulla si sia intromesso nell'abitacolo per ferire Waltrip. La ridistribuzione della forza gli ha salvato la vita.
C'è uno sfortunato contrappunto al concetto, tuttavia. Dagli anni '80 all'inizio degli anni 2000, ci sono state numerose vittime delle corse a causa del telaio eccessivamente rigido. Probabilmente l'incidente più noto è la morte di Dale Earnhardt Sr. nella Daytona 500 del 2001. L'incidente inizialmente non sembrava essere grave e l'auto non sembrava subire danni ingenti; tuttavia, questo era esattamente il problema. Gran parte della forza dell'impatto è stata trasferita direttamente al conducente, provocando lesioni gravi e immediate. La lesione mortale è stata una frattura del cranio basilare, una lesione nell'area in cui il cranio e il midollo spinale si connettono. Questa lesione è la causa della morte in molti incidenti automobilistici e si verifica quando la testa scatta in avanti all'impatto mentre il corpo rimane trattenuto dalle cinture di sicurezza. Mentre i dispositivi di ritenuta della testa e del collo hanno ridotto l'incidenza delle fratture del cranio basilare, anche la riduzione delle forze di impatto sul conducente ha svolto un ruolo importante.
Diversi altri piloti famosi furono uccisi durante questo periodo, così come piloti meno noti nelle classi di modelli NASCAR modificati e in ritardo che correvano su piste negli Stati Uniti. Il motivo alla base dell'aumento degli incidenti mortali era semplicemente la ricerca di prestazioni più elevate. I progettisti di automobili e gli equipaggi hanno cercato una migliore maneggevolezza creando un telaio più rigido. Ciò includeva l'aggiunta di componenti al telaio, l'utilizzo di binari del telaio dritti e il passaggio a tubi d'acciaio con pareti più spesse. Certo, hanno reso il telaio più rigido, ma quando queste auto rigide hanno colpito un muro, non c'era da cedere. Nessuna forza è stata assorbita dall'auto:il conducente ha subito la maggior parte dell'impatto.
Anche prima della morte di Earnhardt nel 2001, le piste cercavano di trovare soluzioni a questo problema. I binari negli Stati Uniti nordorientali hanno sperimentato blocchi giganti di polistirolo industriale che rivestono le pareti, un concetto simile alla tecnologia delle pareti morbide utilizzata oggi su molti superspeedway. Ancora più importante, le auto sono state cambiate. Su alcune parti del telaio vengono ora utilizzati tubi d'acciaio di calibro più sottile e le guide del telaio sono piegate o intaccate in modo che si deformino in modo prevedibile all'impatto.
L'auto di domani della NASCAR, utilizzata nelle gare della Sprint Cup, ha schiuma e altro materiale che assorbe gli urti inseriti nelle aree critiche del telaio. Sebbene le corse automobilistiche siano sempre uno sport pericoloso, l'uso di una struttura del telaio meno rigida, la tecnologia delle pareti morbide e i sistemi di ritenuta della testa e del collo hanno notevolmente ridotto le forze di impatto sugli incidenti sui conducenti.
Per ulteriori informazioni sui dispositivi di sicurezza automobilistica, le corse e altri argomenti correlati, segui i link nella pagina successiva.
Sicurezza verso il basso
Volvo ha sviluppato un'altra tecnologia di assorbimento degli urti da utilizzare nelle auto di piccole dimensioni. Il sedile del conducente è montato su quella che è fondamentalmente una slitta su un binario, con ammortizzatori davanti. In un impatto, l'intera "slitta" (sedile e guidatore inclusi) scivola in avanti fino a 8 pollici e gli ammortizzatori fanno letteralmente il loro lavoro, assorbendo l'urto dell'impatto. Allo stesso tempo, il volante e una parte della plancia scorrono in avanti per fare spazio al guidatore. Combinato con una zona di deformazione anteriore e possibilmente un airbag, questo sistema potrebbe ridurre notevolmente le forze che agiscono sul conducente in una collisione frontale [fonte:Ford Motor Company].
Pubblicato originariamente:11 agosto 2008
