Come funzionano le zone di accartocciamento

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Le zone di deformazione sono progettate per assorbire e ridistribuire la forza di una collisione. Guarda altre foto sulla sicurezza dell'auto. Yellow Dog Productions / Getty Images

La sicurezza automobilistica ha fatto molta strada negli ultimi decenni e una delle innovazioni più efficaci è il zona di accartocciamento. Conosciuto 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, impedendone la trasmissione agli occupanti.

Naturalmente, mantenere le persone al sicuro negli incidenti automobilistici non è così semplice come accartocciare l'intero veicolo. Gli ingegneri devono considerare molti fattori nella progettazione di auto più sicure, tra cui 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 delle auto da strada e i SUV spesso si schiantano con più forza delle auto piccole.

Scopriremo come le zone di deformazione ridistribuiscono le forze coinvolte in un incidente, di quali zone di deformazione sono fatte e impareremo a conoscere alcuni altri sistemi di sicurezza avanzati che vengono testati proprio ora. Scopriremo anche come le zone di deformazione sono state incorporate nelle auto da corsa e perché un numero di incidenti mortali in gara avrebbe potuto essere evitato se lo sport avesse adottato queste caratteristiche di sicurezza prima. Daremo anche uno sguardo alle zone di deformazione progettate per assorbire il massiccio impatto di una collisione del treno.

Per scoprire le forze coinvolte in una collisione e per sapere in che modo una zona di deformazione ben progettata può ridurre al minimo le lesioni agli occupanti, leggere la pagina successiva.

Cosa c'è in una zona accartocciata?

Le specifiche dei progetti delle zone di deformazione sono generalmente informazioni riservate che i produttori di automobili 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 troppo 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.

Contenuti
  1. Forza dell'impatto
  2. Compromessi di progettazione
  3. Prevenire gli incidenti mortali nelle corse automobilistiche
Queste auto sono state sottoposte a un test di collisione presso un centro di ricerca sulla sicurezza automobilistica a Wolfsburg, in Germania. Notare come le zone di deformazione sembrano aver assorbito la maggior parte dell'impatto. Peter Ginter / Getty Images

Ogni volta che un'auto è coinvolta in un incidente, sono all'opera intense forze cinetiche. Una data quantità di forza è presente durante ogni incidente. I numeri effettivi variano in base alla velocità e alla massa dell'auto e alla velocità e alla massa di ciò che colpisce. 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 definita scientificamente come accelerazione. Per evitare confusione, faremo riferimento all'accelerazione di crash come decelerazione.

Le zone di deformazione raggiungono due obiettivi di sicurezza. Riducono la forza iniziale dell'impatto 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 questo effetto di persona se hai dovuto premere i freni per qualsiasi motivo. Le forze che si verificano in un arresto di emergenza sono molto maggiori rispetto a quando si rallenta gradualmente per un semaforo. In una collisione, rallentare la decelerazione anche di pochi decimi di secondo può creare una drastica riduzione della forza in gioco. La forza è una semplice equazione:

Forza = massa * accelerazione

Dimezzando la decelerazione si dimezza anche la forza. Pertanto, la modifica del tempo di decelerazione da 0,2 secondi a 0,8 secondi si tradurrà in una riduzione del 75% della forza totale.

Le zone di accartocciamento realizzano ciò 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 sopportare l'impatto iniziale. L'auto inizia a decelerare non appena la zona di accartocciamento inizia ad accartocciarsi, prolungando la decelerazione di qualche decimo 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, viene trasferita una certa forza a quell'oggetto. Se l'auto colpisce qualcosa con un colpo rapido 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. Soprattutto, il danno all'auto stessa spende forza. Piegare parti del telaio, frantumare i pannelli della carrozzeria, frantumare il vetro: 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. Le 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 consumano 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 accartocciamento per assorbire l'impatto, come si costruisce un'auto compatta con zone di deformazione? Lo spiegheremo nella prossima sezione.

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L'inventore della Crumple Zone

Béla Barényi era un ingegnere e inventore che ha trascorso la maggior 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 deformare e assorbire l'energia cinetica in caso di impatto. Ha utilizzato il concetto nel 1959 sulla Mercedes-Benz W111 Fintail, la prima auto a utilizzare zone di deformazione [fonte: Ufficio tedesco dei brevetti e dei marchi].

Questa BMW ha ovviamente subito un grave impatto e appare ampiamente danneggiata. Tuttavia, nessuno dei danni è stato all'abitacolo: la zona di deformazione anteriore ha fatto il suo lavoro. Tim Graham / Getty Images

Assorbire e reindirizzare l'impatto è fantastico, ma non è l'unico problema di sicurezza di cui i progettisti automobilistici 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 espulsi. Non puoi trasformare un'intera macchina in una zona accartocciata perché non vuoi che anche le persone al suo interno si accartoccino. Ecco perché le auto sono progettate con un telaio rigido e resistente 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 di airbag.

Ci sono alcune parti delle auto che semplicemente non possono accartocciarsi. Il motore è l'autore del reato principale: nella maggior parte dei veicoli, il motore è un grosso blocco di acciaio pesante. 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 spinto di nuovo nell'abitacolo a seguito di un impatto, può causare lesioni.

-Anche i serbatoi di carburante e i pacchi batteria, nei veicoli elettrici o ibridi, devono essere protetti dagli urti per evitare incendi o 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 è posteriore, 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. Progettare zone di deformazione in piccoli veicoli richiede un po 'di creatività. Un buon esempio è la smart fortwo, estremamente piccola

ed efficiente veicolo. Il guidatore e il passeggero sono racchiusi nella cellula di sicurezza tridion, un telaio in acciaio con un'ottima rigidità per le sue dimensioni. La geometria è progettata per distribuire gli impatti su tutto il telaio. La parte anteriore e quella posteriore della smart fortwo sono ciò che smart chiama scatole di crash. Si tratta di piccole strutture in acciaio che collassano e si accartocciano per assorbire gli impatti. Poiché i crash box sono così piccoli, sono state utilizzate altre caratteristiche di assorbimento degli urti per integrarli. Ad esempio, la trasmissione può fungere da ammortizzatore in caso di collisione frontale. Il passo corto della fortwo significa che quasi ogni impatto coinvolgerà 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 aiutano a mantenere in vita il tuo pilota di auto da corsa preferito.

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Zone di accartocciamento sui treni

Abbiamo parlato dell'incredibile forza cinetica all'opera 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 automobilistico. 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 vagone di un treno passeggeri. In caso di collisione, la reazione a catena delle auto che sbattono l'una contro l'altra distribuisce la forza attraverso tutte le zone di deformazione del treno. Ciò potrebbe assorbire una quantità sufficiente delle forze di impatto per prevenire lesioni ai passeggeri [fonte: Machine Design].

Alcuni incidenti, come questo che coinvolge il pilota di Formula 1 Robert Kubica, sembrano spettacolari e terrificanti. In effetti, la distruzione dell'auto probabilmente ha salvato la vita di Kubica. DAVID BOILY / AFP / Getty Images

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 dai rottami contorti e se ne va illeso. Mentre questi incidenti sembrano orribili, tutta quella spettacolare distruzione sta consumando energia cinetica. Probabilmente non è una corsa divertente per il conducente, 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 urtato 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 di corsa e l'auto si è fermata all'improvviso . L'impatto ha generato forze enormi, ma Waltrip è rimasto illeso. Il motivo è evidente guardando i resti della sua macchina quel giorno. È stato 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 accartocciamento, e in effetti è stata semplicemente una questione di fortuna che nulla sia entrato nell'abitacolo del guidatore per ferire Waltrip. La ridistribuzione della forza gli ha salvato la vita.

Le conseguenze dell'incidente che ha ucciso Dale Earnhardt, Sr. La sua auto, la nera # 3, non sembra essere stata gravemente danneggiata. Robert Laberge / Allsport / Getty Images

Tuttavia, c'è uno sfortunato contrappunto al concetto. Dagli anni '80 ai primi anni 2000, ci sono stati numerosi incidenti mortali in gara 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 immediate e gravi. La lesione mortale era una frattura del cranio basilare, una lesione nell'area in cui si connettono il cranio e il midollo spinale. Questo infortunio 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. Sebbene i dispositivi di contenimento della testa e del collo abbiano ridotto l'incidenza delle fratture del cranio basilare, anche la riduzione delle forze di impatto sul conducente ha svolto un ruolo importante.

Molti altri noti piloti furono uccisi durante questo periodo, così come i conducenti meno noti nelle classi di modelli NASCAR modificati e recenti che gareggiavano su piste negli Stati Uniti. La ragione dietro l'aumento degli incidenti mortali era semplicemente la ricerca di prestazioni più elevate. I progettisti e le squadre automobilistiche hanno cercato una migliore maneggevolezza creando un telaio più rigido. Ciò includeva l'aggiunta di componenti al telaio, l'utilizzo di binari del telaio diritti e il passaggio a tubi di acciaio con pareti più spesse. Certo, hanno reso il telaio più rigido, ma quando queste macchine inflessibili hanno colpito un muro, non c'è stato niente da fare. Nessuna forza è stata assorbita dall'auto: il guidatore ha subito la maggior parte dell'impatto.

Anche prima della morte di Earnhardt nel 2001, le piste da corsa stavano cercando di trovare soluzioni a questo problema. I binari negli Stati Uniti nord-orientali hanno sperimentato giganteschi blocchi di polistirolo industriale che rivestono le pareti, un concetto simile alla tecnologia delle pareti morbide utilizzata oggi su molte superstrade. Ancora più importante, le auto sono state cambiate. I tubi in acciaio di calibro più sottile vengono ora utilizzati su alcune parti del telaio e le guide del telaio sono piegate o intagliate in modo che si deformino in modo piuttosto prevedibile all'impatto.

La Car of Tomorrow di NASCAR, utilizzata nelle gare Sprint Cup, ha schiuma e altro materiale che assorbe gli urti inseriti nelle aree critiche del telaio. Sebbene le corse automobilistiche saranno sempre uno sport pericoloso, l'uso di una struttura del telaio meno rigida, la tecnologia delle pareti morbide e i sistemi di contenimento 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, seguire i collegamenti nella pagina successiva.

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Safety Ride Down

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 lo shock dell'impatto. Allo stesso tempo, il volante e una sezione del cruscotto scivolano 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 guidatore in una collisione frontale [fonte: Ford Motor Company].

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Altri ottimi link

  • Rivista Circle Track
  • Materialworlds
  • NASCAR

fonti

  • Akins, Ellen. "Sicurezza nelle auto di piccole dimensioni: il concetto Volvo di sicurezza in sella". Ford Motor Company. 12 gennaio 2005 (1 agosto 2008) http://media.ford.com/newsroom/feature_display.cfm?release=19713
  • Bolles, Bob. "Stock Car Safety - Un corso di aggiornamento". Circle Track. (1 agosto 2008) http://www.circletrack.com/safety/ctrp_0805_stock_car_safety/index.html
  • Progettazione di macchine. "La zona di crash si accartoccia? Dice la FEA." 6 novembre 2003 (31 luglio 2008) http://machinedesign.com/ContentItem/62566/WillthecrashzonecrumpleFEAtells.aspx
  • Mondi materiali. "Gli effetti delle zone di deformazione: sbatte contro il muro." (1 agosto 2008) http://www.materialworlds.com/sims/Crash/
  • Stati Uniti intelligenti. "Un guscio duro con un interno morbido." (1 agosto 2008) http://www.smartusa.com/smart-fortwo-safety-design.aspx
  • Tesla Motors. "Sicurezza." (31 luglio 2008) http://www.teslamotors.com/design/safety.php
  • L'ufficio tedesco dei brevetti e dei marchi. "Béla Barényi." (31 luglio 2008) http://www.dpma.de/ponline/erfindergalerie/e_bio_barenyi.html



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