Вес машины и безопасность на дороге
Давно я что-то ничего не писал в журнал. Дел много, обстановка не очень располагает. Но сейчас у меня есть свободных полчаса, и я хочу потратить их на пост, который давно (уже более года) собирался написать.
Итак - поговорим о безопасности на дорогах?
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 справедливо заметил, 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.
Сперто отсюда- http://0serg.livejournal.com/132996.html
Только не бей маленьких и не уходи с траектории!!!(одобряю дальнобоев помогающих маленьким, помогали как на обгоне, так и из кюветов вытаскивали 
ну вот и спокойнее стало... ) кстати да.. тоже заметил, что в Тюмени как то уж больно агрессивно к грузовому транспорту относятся. Да и просто делают странные действия которые провоцируют ДТП. Ну ни как не поймут что 20 тонн 10 тонн да даже пусть 6 тонн это не легковушка массой 800 кг. 
Понятно почему у броневика только дверь повело и наружную панель борта помяло.