Jak działają pasy bezpieczeństwa

Kierowca zapina pasy. Zobacz więcej zdjęć bezpieczeństwa samochodu. SABAH ARAR / AFP / Getty Images

Według raportu badawczego National Highway Traffic and Safety Administration, pasy bezpieczeństwa każdego roku ratują około 13 000 istnień ludzkich w Stanach Zjednoczonych. Ponadto NHTSA szacuje, że gdyby ofiary miały zapięte pasy, uniknięto by 7000 ofiar śmiertelnych wypadków samochodowych w USA.

-

Chociaż pasy bezpieczeństwa czasami przyczyniają się do poważnych obrażeń lub śmierci, prawie wszyscy eksperci ds. Bezpieczeństwa są zgodni co do tego, że zapięcie pasów dramatycznie zwiększa szanse na przeżycie wypadku. Według NHTSA pasy bezpieczeństwa zmniejszają ryzyko śmierci pasażera samochodu na przednim siedzeniu o około 50 procent.

Kiedy się nad tym zastanowić, jest to absolutnie zdumiewające: w jaki sposób kawałek materiału może być różnicą między życiem a śmiercią? Co to właściwie robi? W tym artykule przyjrzymy się technologii pasów bezpieczeństwa, aby zobaczyć, dlaczego są one jedną z najważniejszych technologii w każdym samochodzie.

Podstawowa idea pasów bezpieczeństwa jest bardzo prosta: zapobiega przelotowi przez przednią szybę lub wjechaniu na deskę rozdzielczą, gdy samochód gwałtownie się zatrzyma. Ale dlaczego tak się stało w ogóle? Krótko mówiąc, z powodu bezwładność.

Bezwładność to tendencja obiektu do poruszania się, dopóki coś innego nie zadziała przeciwko temu ruchowi. Innymi słowy, bezwładność to odporność każdego obiektu na zmianę prędkości i kierunku ruchu. Rzeczy naturalnie chcą iść dalej.

Jeśli samochód jedzie z prędkością 50 mil na godzinę, bezwładność chce utrzymać go z prędkością 80 mil na godzinę w jednym kierunku. Opór powietrza i tarcie o nawierzchnię nieustannie ją spowalniają, ale moc silnika kompensuje tę stratę energii.

Wszystko, co znajduje się w samochodzie, łącznie z kierowcą i pasażerami, ma własną bezwładność, która jest niezależna od bezwładności samochodu. Samochód przyspiesza jeźdźców do jego prędkości. Wyobraź sobie, że płyniesz ze stałą prędkością 50 mil na godzinę. Twoja prędkość i prędkość samochodu są prawie równe, więc czujesz, że ty i samochód poruszacie się jako jedna jednostka.

Ale gdyby samochód uderzył w słup telefoniczny, byłoby oczywiste, że bezwładność twoja i samochodu byłyby absolutnie niezależne. Siła bieguna spowodowałaby gwałtowne zatrzymanie samochodu, ale Twoja prędkość pozostałaby taka sama. Bez pasa bezpieczeństwa albo uderzyłbyś w kierownicę z prędkością 50 mil na godzinę, albo przeleciałbyś przez przednią szybę z prędkością 50 mil na godzinę. Tak jak drążek spowolnił samochód, deska rozdzielcza, przednia szyba lub droga spowolniłyby cię, wywierając ogromną siłę.

Jest pewne, że bez względu na to, co dzieje się w wypadku, coś musiałby wywierać na ciebie siłę, żeby cię spowolnić. Ale w zależności od tego, gdzie i jak zostanie przyłożona siła, możesz zostać natychmiast zabity lub możesz odejść od obrażeń bez szwanku.

Jeśli uderzysz głową w przednią szybę, siła hamowania zostanie skoncentrowana na jednej z najbardziej wrażliwych części ciała. Zatrzymuje Cię również bardzo szybko, ponieważ szkło jest twardą powierzchnią. Może to łatwo zabić lub poważnie zranić osobę.

Pas bezpieczeństwa wywiera siłę hamowania na trwalsze części ciała przez dłuższy czas. W następnej sekcji zobaczymy, jak zmniejsza to ryzyko poważnych kontuzji.

W ostatniej sekcji widzieliśmy, że za każdym razem, gdy samochód nagle się zatrzymuje, pasażer również gwałtownie się zatrzymuje. Zadaniem pasów jest to rozłożyć siłę hamowania przez mocniejsze części ciała, aby zminimalizować uszkodzenia.

Typowy pas bezpieczeństwa składa się z pas biodrowy, który spoczywa na miednicy i a pasek na ramię, który rozciąga się na klatkę piersiową. Dwie sekcje pasów są mocno przymocowane do ramy samochodu, aby utrzymać pasażerów na siedzeniach.

Gdy pas jest założony prawidłowo, większość siły hamowania będzie oddziaływać na klatkę piersiową i miednicę, które są stosunkowo stabilnymi częściami ciała. Ponieważ pasy rozciągają się na dużej części ciała, siła nie jest skoncentrowana na małym obszarze, więc nie może wyrządzić tak dużych obrażeń. Dodatkowo pas bezpieczeństwa taśma tapicerska jest wykonany z bardziej elastycznego materiału niż deska rozdzielcza czy przednia szyba. Trochę się rozciąga, co oznacza, że ​​zatrzymanie nie jest tak gwałtowne. Pas bezpieczeństwa nie powinien jednak dawać więcej niż trochę, w przeciwnym razie możesz uderzyć w kierownicę lub boczne okno. Bezpieczne pasy pozwolą ci tylko nieznacznie przesunąć się do przodu.

Samochód strefy zgniotu wykonać prawdziwą pracę łagodzenia ciosu. Strefy zgniotu to obszary z przodu iz tyłu samochodu, które stosunkowo łatwo się zapadają. Zamiast gwałtownego zatrzymania całego samochodu po uderzeniu w przeszkodę, pochłania on część siły uderzenia poprzez spłaszczenie, jak pusta puszka po napoju. Kabina samochodu jest znacznie mocniejsza, dzięki czemu nie ugniata się wokół pasażerów. Przez chwilę jedzie dalej, przyciskając przód samochodu do przeszkody. Oczywiście strefy zgniotu będą Cię chronić tylko wtedy, gdy poruszasz się z kabiną samochodu - to znaczy, jeśli jesteś przymocowany do siedzenia pasami bezpieczeństwa.

Najprostszy rodzaj pasów bezpieczeństwa, występujący w niektórych kolejkach górskich, składa się z odcinka taśmy przykręconej do nadwozia pojazdu. Pasy te przez cały czas mocno trzymają się siedzenia, co jest bardzo bezpieczne, ale niezbyt wygodne.

Pasy samochodowe mają taką możliwość wysuwaj i chowaj -- można łatwo pochylić się do przodu, podczas gdy pas pozostaje dość napięty. Ale w przypadku kolizji pasek nagle się napręży i ​​utrzyma Cię w miejscu. W następnej sekcji przyjrzymy się maszynerii, która to wszystko umożliwia.

Spiralna sprężyna obraca szpulę, aby utrzymać naprężenie taśmy pasa bezpieczeństwa.

W typowym systemie pasów bezpieczeństwa taśma pasa jest podłączona do mechanizm zwijacza. Centralnym elementem zwijacza jest szpula, która jest przymocowana do jednego końca taśmy. Wewnątrz zwijacza sprężyna przykłada siłę obrotu lub moment obrotowy, do szpuli. Działa to w celu obrócenia szpuli, aby zwijała luźną taśmę.

Po wyciągnięciu taśmy szpula obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, co powoduje obrót dołączonej sprężyny w tym samym kierunku. Skutecznie działa obrotowa szpula rozkręcać wiosna. Sprężyna chce wrócić do swojego pierwotnego kształtu, więc opiera się temu ruchowi skręcania. Jeśli zwolnisz taśmę, sprężyna napręży się, obracając szpulę zgodnie z ruchem wskazówek zegara, aż nie będzie już luzu na pasku.

Zwijacz ma zamykający mechanizm który zapobiega obracaniu się szpuli, gdy samochód uczestniczy w kolizji. Obecnie w powszechnym użyciu są dwa rodzaje systemów blokujących:

• systemy wywołane ruchem samochodu
• systemy wyzwalane ruchem pasa

Pierwszy rodzaj systemu blokuje szpulę, gdy samochód szybko zwalnia (na przykład kiedy w coś uderza). Poniższy diagram przedstawia najprostszą wersję tego projektu.

Centralnym elementem obsługi tego mechanizmu jest wahadło ważone. Kiedy samochód nagle się zatrzymuje, bezwładność powoduje wychylenie wahadła do przodu. Plik zapadka na drugim końcu wahadła chwyta się zębaty bieg zapadkowy przymocowany do szpuli. Gdy zapadka chwyta jeden z zębów, koło zębate nie może obracać się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, podobnie jak podłączona szpula. Gdy taśma ponownie się poluzuje po zderzeniu, koło zębate obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a zapadka odłącza się.

-

Drugi rodzaj systemu blokuje szpulę, gdy coś szarpie taśmę paska. Siłą uruchamiającą w większości konstrukcji jest prędkość obrotowa szpuli. Diagram przedstawia typową konfigurację.

Centralnym elementem obsługi w tej konstrukcji jest sprzęgło odśrodkowe -- obciążona obrotowa dźwignia zamontowana na obrotowej szpuli. Gdy szpula obraca się powoli, dźwignia w ogóle się nie obraca. Sprężyna utrzymuje go na miejscu. Ale kiedy coś szarpie taśmę, kręci szpulę szybciej, siła odśrodkowa wypycha obciążony koniec dźwigni na zewnątrz.

Przedłużona dźwignia popycha a krzywka element mocowany do obudowy retraktora. Krzywka jest połączona z obrotową zapadką za pomocą przesuwnego kołka. Gdy krzywka przesuwa się w lewo, sworzeń przesuwa się wzdłuż rowka w zapadce. To wciąga zapadkę do obracającego się mechanizmu zapadkowego przymocowanego do szpuli. Zapadka blokuje się w zębach koła zębatego, uniemożliwiając obrót w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.

W niektórych nowszych systemach pasów bezpieczeństwa a napinacz działa również w celu naprężenia taśmy pasa. W następnej sekcji zobaczymy, jak działają te urządzenia.

Kiedy gaz jest zapalany, ciśnienie popycha tłok do góry, aby obrócić zwijacz.

Ideą napinacza jest zmniejszenie luzu taśmy pasa w przypadku zderzenia. Podczas gdy konwencjonalny mechanizm blokujący w zwijaczu zapobiega dalszemu rozciąganiu paska, w rzeczywistości napinacz jest napinany wciąga pasek. Siła ta pomaga ustawić pasażera w optymalnej pozycji zderzenia na swoim siedzeniu. Napinacze zwykle współpracują z konwencjonalnymi mechanizmami blokującymi, a nie ich zastępują.

Na rynku dostępnych jest wiele różnych systemów napinaczy. Niektóre napinacze pociągają cały mechanizm zwijacza do tyłu, a inne obracają samą szpulę. Ogólnie napinacze są podłączone do tego samego centralnego procesora sterującego, który aktywuje poduszki powietrzne samochodu. Procesor monitoruje mechanicznie lub elektronicznie czujniki ruchu które reagują na nagłe spowolnienie uderzenia. Po wykryciu uderzenia procesor aktywuje napinacz, a następnie poduszkę powietrzną.

Niektóre napinacze są zbudowane wokół silników elektrycznych lub solenoidów, ale obecnie stosowane są w najpopularniejszych konstrukcjach pirotechnika aby wciągnąć taśmę paska. Poniższy schemat przedstawia reprezentatywny model.

Centralnym elementem tego napinacza jest komora gazu palnego. Wewnątrz komory znajduje się mniejsza komora z ładunkiem wybuchowym zapalnik materiał. Ta mniejsza komora jest wyposażona w dwie elektrody, które są podłączone do centralnego procesora.

Gdy procesor wykryje kolizję, natychmiast przykłada prąd elektryczny do elektrod. Iskra z elektrod zapala materiał zapalnika, który spala się, aby zapalić gaz w komorze. Płonący gaz wytwarza duże ciśnienie zewnętrzne. Ciśnienie naciska na a tłok spoczywa w komorze, napędzając ją w górę z dużą prędkością.

Z jednej strony tłoka przymocowana jest zębatka. Gdy tłok wystrzeliwuje, zębatka zazębia się z zębatką połączoną z mechanizmem szpuli zwijacza. Speeding rack mocno obraca szpulę, zwijając wszelkie luźne taśmy.

W przypadku poważnych wypadków, kiedy samochód zderza się z przeszkodą przy bardzo dużej prędkości, pas bezpieczeństwa może spowodować poważne uszkodzenie. Wraz ze wzrostem bezwładnościowej prędkości pasażera do zatrzymania go potrzeba większej siły. Innymi słowy, im szybciej uderzysz, tym mocniej będzie cię naciskać pas.

Niektóre systemy pasów bezpieczeństwa używają ograniczniki obciążenia aby zminimalizować obrażenia zadawane przez pas. Podstawową ideą ogranicznika obciążenia jest zwolnienie nieco większej ilości nadmiaru taśmy pasa, gdy na pas działa duża siła. Najprostszym ogranicznikiem obciążenia jest a zagięcie wszyta w taśmę paska. Szwy utrzymujące fałdę na miejscu są zaprojektowane tak, aby pękały, gdy do paska zostanie przyłożona pewna siła. Kiedy szwy się rozchodzą, taśma rozwija się, pozwalając paskowi nieco się rozciągnąć.

Bardziej zaawansowane ograniczniki obciążenia polegają na a drążek skrętny w mechanizmie zwijacza. Drążek skrętny to tylko kawałek metalowego materiału, który będzie skręcać gdy zostanie przyłożona wystarczająca siła. W ograniczniku obciążenia drążek skrętny jest przymocowany do mechanizmu blokującego na jednym końcu, a obrotową szpulę na drugim. W mniej poważnym wypadku drążek skrętny zachowa swój kształt, a szpula zablokuje się wraz z mechanizmem blokującym. Ale gdy do taśmy (a tym samym do szpuli) zostanie przyłożona duża siła, drążek skrętny lekko się skręci. Pozwala to na rozciągnięcie taśmy nieco dalej.

Przez lata pasy bezpieczeństwa okazały się zdecydowanie najważniejszym zabezpieczeniem w samochodach osobowych i ciężarowych. Nie są one jednak w żaden sposób nieomylne, a inżynierowie zajmujący się bezpieczeństwem samochodów widzą wiele miejsca na ulepszenia w dzisiejszym projekcie. W przyszłości samochody będą wyposażone w lepsze pasy, lepsze poduszki powietrzne i najprawdopodobniej w zupełnie nową technologię bezpieczeństwa. Oczywiście rząd nadal będzie musiał zająć się największym problemem związanym z urządzeniami bezpieczeństwa - zmusić ludzi do ich używania.

Więcej informacji na temat pasów bezpieczeństwa i innych systemów bezpieczeństwa można znaleźć w linkach na następnej stronie.

Powiązane artykuły

• Jak działa testowanie zderzeniowe
• Jak działa siła, moc, moment obrotowy i energia
• Jak działa bezpieczeństwo NASCAR
• Jak działają „Szczęki życia”
• Jak działają poduszki powietrzne
• Jak działają kolejki górskie
• Wyjaśnienie praw cytrynowych

Więcej świetnych linków

• Krajowa Administracja Bezpieczeństwa Ruchu Drogowego
• Federal Highway Administration
• Instytut Ubezpieczeń Drogowych
• Koalicja motoryzacyjna na rzecz bezpieczeństwa ruchu
• Car-Safety.org