مچاله شدن برای نجات زندگی؛ نقش نقاط شکست در حفظ جان سرنشینان خودروها چیست؟

اگر تصاویر مربوط به تصادف اتومبیل های قدیمی را با تصاویر مربوط به تصادف اتومبیل های امروزی مقایسه کنیم، شاید در ابتدا به این نتیجه برسیم که مهندسین صنعت خودرو مسیری معکوس در پیش گرفته اند، زیرا شدت صدمات وارده به اتومبیل های قدیمی بسیار کمتر از مدل های روز بود.

در گذشته بدنه ای بسیار مستحکم که در برابر انواع برخوردها شکل اولیه خود را حفظ کند، یکی از اصول اولیه طراحی خودروها به شمار می رفت. این مساله اگر چه از تغییر شکل بدنه جلوگیری می کرد، اما ضربات وارده را به سرنشینان انتقال داده و در موارد شدید حتی می توانست منجر به مرگ آنها شود.

در میانه های قرن بیستم و در سال 1953 برای نخستین بار نقاط شکست (crumple zones) در خودروها طراحی شد. همانند اکثر تکنولوژی های موجود در صنعت خودرو، باز هم این مرسدس بنز بود که مسئولیت توسعه این تکنولوژی را بر عهده داشت.

در آن دوران یکی از مهندسین به نام بلا بارنی (Béla Barényi) برای مدت ها بر روی این تکنولوژی در حال تحقیق بود تا اینکه نتیجه تلاش های وی با مدل "Ponton" در سال 1953 به بار نشست.

چهار سال بعد و در 1967، مرسدس مدلی را به نام Heckflosse یا همان Fintail تولید کرد که نخستین خودروی جهان با نقاط شکست و سازه مستحکم در قسمت کابین بود و از صندوق عقبی تقریبا 50 درصد بزرگ تر از رقبا بهره می برد.

مروری بر قوانین فیزیک

برای توجیه لزوم طراحی نقاط شکست در خودروها دلایلی علمی وجود دارد. قانون اول نیوتن می گوید یک جسم متحرک با سرعت و جهتی یکسان به حرکت خود ادامه می دهد، مگر اینکه نیرویی غیر متوازن به آن وارد شود.

اگر خودرویی سرعتی در حدود 80 کیلومتر در ساعت داشته باشد، به معنای این است که سرنشینان داخل آن نیز با این سرعت در حال حرکت هستند. اگر این خودرو بصورت ناگهانی و با برخورد به یک دیوار مستحکم متوقف شود، بدن سرنشینان کماکان تمایل به حفظ حرکت با همان سرعت اولیه 80 کیلومتر در ساعت خواهد داشت؛ حال چنانچه بدن سرنشینان یک مرتبه سرعت اولیه خود را از دست دهد، اجزای داخلی آن هنوز به حرکت خود ادامه خواهند داد که این مساله می تواند صدمات شدیدی به دنبال داشته باشد.

قانون دیگری هم در فیزیک وجود دارد. نیوتن در قانون دوم خود می گوید نیرو برابر است با حاصلضرب جرم در شتاب؛ از سوی دیگر شتاب برابر است با نرخ تغییر سرعت در واحد زمان. با این حساب در شرایطی که در بالا توصیف کردیم، این به معنای آنست که نیروی وارده به خودرو و سرنشینان در صورت افزایش زمان مورد نیاز برای توقف، کاهش می یابد.

وظیفه نقاط شکست چیست؟

نقاط شکست دقیقا مطابق با هر دو قانون یاد شده، عمل می کنند.  این قسمت ها در جلو و عقب خودرو تعبیه شده و نقشی بسزا در جذب انرژی ضربات ناشی از برخوردها دارند. این امر از طریق تغییر شکل حاصل می شود، چیزی که در روزهای اولیه طراحی خودرو مغفول مانده بود.

در حالیکه قسمت جلو و عقب خودرو طوری طراحی می شوند که در برابر ضربات تغییر شکل پیدا کنند، قسمت کابین از فولاد بسیار مقاوم ساخته شده و در مقابل تغییر شکل مقاومت فوق العاده زیادی از خود نشان می دهد.

در تصادفات، خودروهایی که دارای نقاط شکست هستند، زمان توقف کامل خودرو به دلیل جذب ضربه چند میلی ثانیه افزایش یافته و در نتیجه از نیروی وارده به سرنشینان کاسته می شود.

در خودروهای بسیار کوچک این مساله چطور است؟

در اتومبیل های کوچک، فضای چندانی برای تعبیه نقاط شکست وجود ندارد. برای مثال خودروهای شهری اسمارت را در نظر بگیرید، در این نوع از اتومبیل ها سازندگان در کدام قسمت ها می توانند نقاط شکست تعبیه کنند؟

برای این کار مهندسین اسمارت از یک سازه انحصاری به اسم tridion safety cell استفاده می کنند. در این سازه قسمت های ویژه طولی و عرضی طراحی شده که در صورت برخورد، نیرو را در سطحی گسترده تر پخش می کنند.

برای مثال مدل اسمارت فورتو (fortwo) از سپرهای فلزی در جلو و عقب بهره می برد. این سپرها از طریق بازوهای لغزنده مخصوص بصورت طولی به سازه مذکور متصل هستند. در سرعت های پایین تر از 2 مایل (3.2 کیلومتر) برخوردها تاثیری در تغییر شکل سازه یا اجزای دیگر ندارند. در سرعت های نزدیک به 10 مایل (16 کیلومتر) بازوهای لغزنده طوری جابجا می شوند که از انتقال ضربه به سازه جلوگیری کنند.

در سرعت های بالاتر سازه ابداعی مهندسین اسمارت طوری عمل می کند که انرژی ضربه در کل بدنه پخش شده و از سرنشینان محافظت شود.

کانسپت پنینفارینا Nido

در سال 2004 پنینفارینا از کانسپتی به نام Nido رونمایی کرد که در آن راهکاری نوین برای جایگزینی نقاط شکست معرفی شده بود. این کانسپت سه بخش اصلی داشت که عبارت بودند از: سازه، محفظه داخلی سورتمه مانند و جذب کننده ضربه.

چنانچه این خودروی مفهومی به صورت شاخ به شاخ با مانعی برخورد می کرد، قسمت اصلی تغییر شکل دهنده در جلوی شاسی که شامل دو بازوی فلزی و فوم های پلاستیکی بود، بخشی از انرژی را جذب می نمود. این اجزا همانند مخروطی های کوتاه طراحی شده بودند تا انرژی را در سرتاسر دیواره فلزی پخش کنند.

میزان انرژی باقیمانده نیز ار طریق حرکت محفظه داخلی سورتمه مانند به سمت جلو و عقب و در نتیجه فشرده شدن ضربه گیرهای موجود بین سازه و محفظه، جذب می شد. به دلیل جذب تدریجی انرژی، سرعت سرنشینان نیز به تدریج کاهش می یافت که این مساله از فشار ناگهانی یا پرت شدن آنها پیشگیری می کرد.

بهره گیری از ضربه گیر بین سازه مستحکم و محفظه سورتمه مانند باعث می شود که در برخوردهای احتمالی محفظه مذکور شتاب منفی کمتری نسبت به سازه داشته باشد.

جمع بندی

با بهبود پیوسته ایمنی فعال خودروها، نقش نقاط شکست در محافظت از سرنشینان تا حد زیادی از نگاه انظار عمومی به دور مانده، اما این به معنای آن نیست که آنها اهمیت کمی در ارتقای ایمنی وسایل نقلیه دارند.

درست است که نسبت به دوران اولیه، خودروسازان مختلف ایده استفاده از نقاط شکست را تا حد زیادی گسترش داده اند، اما در سوی مقابل موسسات و شرکت های ارزیابی کننده ایمنی خودروها مثل IIHS ،NHTSA و یورو انکپ تست های خود را بسیار سختگیرانه تر و دشوارتر از قبل کرده اند.

برای مثال ایمنی عابرین پیاده یکی از فاکتورهایی است که اخیرا بسیار مورد توجه قرار گرفته و قوانینی در این رابطه تصویب شده اند. طبق این قوانین کاپوت خودروها باید طول و ارتفاع مشخصی داشته و جلوپنجره نیز دارای زاویه معینی باشد.

خودروهای امروزی به دلیل بهره گیری از فلزات یا فیبر کربن تقویت شده در بخش کابین، بسیار ایمن تر از قبل شده اند. استفاده از نقاط شکست در جلو و عقب خودرو باعث شده که کمپانی های مختلف آزادی عمل بیشتری در طراحی و بکارگیری مواد متفاوت در محصولات خود داشته باشند.

در پایان بد نیست به این موضوع نیز اشاره کنیم که در برخورد یک اتومبیل قدیمی و یک اتومبیل مدرن، ممکن است با توجه به سرعت اولیه و نوع برخورد، بدنه اتومبیل مدرن تر آسیب بیشتری ببیند. این موضوع به دلیل وجود نقاط شکست در ساختار خودروهای روز کاملا قابل توجیه بوده و تعجبی ندارد.

شاید تصاویر مربوط به تصادف خودروهای قدیمی داخلی با نمونه های مدرن خارجی را که در برخی از خیابان ها و جاده های کشور رخ داده اند، دیده باشید. در برخی از این تصادف ها، مدل های خارجی متحمل صدمات بسیار بیشتری در قسمت جلو شده اند که این مساله به ساختار پیشرفته تر و تعبیه نقاط شکست در آنها مربوط می شود.

در مقابل همانگونه که در بالا نیز اشاره شد، قسمت کابین اتومبیل های مدرن از مقاوم ترین مواد ساخته می شوند. به این ترتیب در تصادف های رخ داده، این دسته از خودروها بخش هایی از بدنه یا شاسی خود را فدا می کنند تا از سرنشینان محافظت نمایند.

با این حساب تغییر شکل و صدمه زیاد بدنه خودروهای امروزی در تصادفات را باید به حساب ایمنی بهتر و بهره گیری از دانش روز گذاشت.