Energia cinetica applicata ai veicoli

Energia cinetica e frenata normale

In caso di frenata di un veicolo, le cose andranno così:

Nell’istante in cui il veicolo ha la velocità ad esempio di 80 km/h si agisce sul freno, applicando la forza frenante F che viene mantenuta per il (relativamente lungo) tempo sufficiente ad attenere la progressiva decelerazione richiesta, fino a che il veicolo si ferma. Per ottenere questo risultato, freni e pneumatici compiono un “lavoro” che è di valore uguale (ma di segno opposto) rispetto all’energia cinetica del veicolo nel momento iniziale.


Energia cinetica e urto del veicolo

Nel caso di urto contro ostacolo fisso, le cose andranno in questo modo:

La forza F (costituita dalla resistenza opposta dall’ostacolo fisso) sarà applicata solo per il brevissimo tempo (meno di 1/10 di secondo) in cui si esaurisce la deformazione della parte anteriore del veicolo: nella brusca decelerazione, tutta l’energia cinetica sarà stata azzerata dal “lavoro” svolto dalla deformazione delle lamiere della parte anteriore del veicolo, che quindi si troverà fermo.


Urto e trasportati non cinturati

Naturalmente, la rapidissima decelerazione in caso di urto si riflette sugli occupanti il veicolo. Essi, per inerzia, continuano a procedere in avanti con la stessa velocità del veicolo prima dell’urto.
Nel caso di occupanti non cinturati, questo ha implicazioni piuttosto serie.

In 9/100 di secondo dall’inizio dell’urto il veicolo si arresta, esaurendo la propria energia cinetica grazie allo schiacciamento della parte frontale per un metro, con una decelerazione media di 25 G *. Fino a quel momento gli occupanti continuano per inerzia a muoversi in avanti ad 80 km/h, raggiungendo infine le strutture interne del veicolo. Inizia ora il “lavoro di deformazione” delle strutture del loro corpo (tessuti esterni, ossa, organi interni), che purtroppo può contare su margini assai più limitati rispetto alla parte anteriore del veicolo: entro questi margini gli occupanti il veicolo dovranno comunque esaurire la propria energia cinetica. Urtando contro l’interno dell’abitacolo il loro corpo si comprime per circa 11 cm, esaurendo la propria energia cinetica in 1/100 di secondo. Ma in questo modo, la decelerazione del loro corpo (tessuti, organi) raggiunge i 227 G: un valore molto, molto alto, che ha conseguenze molto gravi, probabilmente mortali. In pratica, è come se il loro corpo venisse a pesare improvvisamente 227 volte di più!

* G, come abbiamo visto in un’altra pagina, indica l’accelerazione di gravità terrestre; vale 9,81 metri al secondo per secondo (ogni secondo la velocità al secondo aumenta di 9,81 metri); può anche indicare, con il segno negativo, le decelerazioni; è una misura molto usata per questo genere di studi.

Si tratta di un valore “teorico”, ricavato dall’applicazione di formule di base. Nella realtà dei crash-test i valori possono essere diversi, a causa per esempio dell’attrito tra il corpo del passeggero ed il piano del sedile: questo fa leggermente diminuire fin dall’inizio la velocità di proiezione in avanti.
Inoltre, nel movimento in avanti del corpo, alcune sue parti toccano in tempi diversi parti interne del veicolo ancora in movimento in avanti, ed anche questo ne rallenta la velocità. D’altra parte, nel grafico la decelerazione del veicolo è rappresentata uniforme e lineare, mentre nella pratica ha degli “alti e bassi” a seconda delle varie parti (paraurti, traversa anteriore, motore, paratia divisoria ecc.) che man mano vengono coinvolte nell’urto. In ogni caso, i valori di decelerazione “reali” non sono poi molto diversi da quello, molto alto, visto sopra.


Urto e trasportati cinturati

L’uso della cintura di sicurezza modifica radicalmente, in meglio, la sorte degli occupanti il veicolo.

Ferma restando la modalità di deformazione del veicolo, il trasportato continua a muoversi per inerzia solo per 3/100 di secondo (spostandosi rispetto al veicolo di 13 cm in avanti), dopo di che comincia ad essere trattenuto dalla cintura. Lo stiramento della cintura più la deformazione dei suoi stessi tessuti lo fanno muovere in avanti di altri 20 cm, ma comunque la decelerazione è limitata a 38 G ( 1/6 di quella senza cintura). Il trasportato ha complessivamente percorso, all’interno dell’abitacolo, 33 cm. Se gli concediamo di percorrere tutto lo spazio disponibile davanti a lui (se è passeggero, supponiamo che tra lui ed il cruscotto vi siano 66 cm), potremmo installare una cintura che, con lo stiramento proprio e quello degli attacchi, gli consenta di arrivare appena a sfiorare il cruscotto. In questo caso, la decelerazione scende a 25 G: abbastanza contenuta, ed 1/9 di quella senza cintura. In realtà, potrebbero esservi problemi per la testa, che muovendosi in avanti potrebbe impattare contro il cruscotto o il parabrezza; per evitare ciò, è necessario l’airbag.

Nell’esempio precedente, la cintura di sicurezza aveva un certo ritardo di intervento, che consentiva al trasportato di muoversi liberamente per 13 cm all’interno dell’abitacolo. Se supponiamo di poter fare intervenire immediatamente l’effetto contenitivo della cintura, la situazione diventa questa:

L’immediato contenimento da parte della cintura e lo sfruttamento di tutto lo spazio interno davanti al passeggero, unitamente allo stiramento della cintura e alla deformazione degli attacchi, consentono di limitare la decelerazione a soli 15 G (1/15 di quella senza cintura). Specie se accoppiata con l’airbag, questa soluzione consente di rimanere in una zona di lesioni moderate. Essa si realizza con l’adozione di pretensionatori, i quali, appena l’urto è rilevato da appositi sensori, accorciano gli attacchi e tirano a sé alcuni centimetri di cintura. In questo modo, il movimento in avanti per inerzia del trasportato è limitato a pochissimi centimetri.

Essendo il principale problema, in caso di urto, quello di azzerare l’energia cinetica in modo progressivo e tollerabile con la resistenza dei tessuti ed organi del corpo umano, impedendogli di entrare in contatto con strutture “dure” all’interno dell’abitacolo, è contrario ad ogni logica il desiderio di una vettura “robustissima”, una specie di carro armato in grado di non riportare il minimo danno in caso di incidente. E’ invece proprio la deformazione del veicolo, salvaguardando l’abitacolo dove viaggiano i passeggeri, che realizza un primo, fondamentale assorbimento dell’energia cinetica, al quale fa seguito l’azione dei pretensionatori, della cintura e degli attacchi deformabili di questa. Senza questo complesso gioco di elementi – frutto di continue ricerche e sperimentazioni – sono inevitabili i danni gravissimi ai passeggeri.

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