于是好久没写技术文了

KFC上正好有人表示自己最近的几次追尾的遭遇,于是这里稍微再废话一下汽车的碰撞安全问题

虽然已经意识到这一点的人越来越多,8过相信仍然还有不少人思维仍然认为汽车越硬越安全,甚至看车的时候尝试用大拇指在发动机盖上按一下,看如果能按出拇指印的这车绝对不安全

嘛,世事往往有时候和人们所“自以为”的常识相悖,比如曾几何时人们还普遍认为越重的东西自由落体的速度越快,直到牛顿在比萨斜塔上丢了两个不同质量的铁球

人们为什么会认为越硬的车越安全呢?这个想法恐怕来源于日常生活中的另外的经验——比如,拿一个纸飞机飞出去撞墙的时候,硬硬的墙面没有任何变化,而纸飞机的机头就变形了——于是人们认为,变形了的东西不安全

被追尾车辆由于后部没有缓冲区,因此看起来受害不大,只是这个冲撞的能量有很大一部分需要靠整车向前的移动来抵消
当然的确,以汽车为例的话,如果驾驶舱变形了,人所在的空间就会受到挤压,如果这个挤压过度了,自然人的生存范围就会变小,甚至被挤扁而死亡
然而,大家忽略了一个重要的问题,那就是——这个仅仅是针对于驾驶舱而言,换句话说,就是只要驾驶舱够硬了,那就已经相对更安全了

那么为什么只把驾驶舱做硬呢?发动机舱做硬不是更好么?这样硬的东西还加多了一层,更保险
答案是,如果是通常的民用车的话,同等的驾驶舱硬度,发动机舱越软的反而越安全(当然也是有一个度的,和纸一样软就没意义了)

这个结论恐怕会让有些人瞠目结舌,让偶们来看看为什么会有这个结论

偶前两天说过,碰撞问题的本质就是物理学的冲量问题,碰撞问题最终碰撞的双方(也可能是多方)都会静止下来,也就是说碰撞之前的动量,也就是速度乘以质量,需要有一个冲量,即受力乘以受力时间,来抵消碰撞之前的动量才能停止下来,而这个受力,自然就是碰撞时物体相互挤压的力量

这里需要注意的地方就是那个受力时间——碰撞问题当中,你所乘坐的车辆质量不会改变,速度也是由碰撞瞬间的速度决定,而碰撞时的受力自然也是和你的车辆的质量,以及被撞物体的质量,以及摩擦力等要素所决定,也是无法改变的,而只有受力时间从某种角度来说有着相对更高的自由度——更多的碰撞过程的时间,也就意味着碰撞时能够相对承受更少的力量

肇事的追为车辆由于发动机舱的缓冲导致了严重的变形,只是这个变形保护了乘客舱的同时也减轻了传递给被追尾的前车的冲击
如何才能延长碰撞所需的时间?自然就是这一层发动机舱的缓冲区了——发动机舱在碰撞时靠尽量的变形来延长碰撞行程,从而为车内乘客获得更长的碰撞时间——当然,如果发动机冲到乘客室里面的话就会挤压乘客的空间,因此发动机要在碰撞时往别处转移——比如下方

这就是所谓的“发动机下陷技术”,也就是将冲击尽量让发动机舱吸收而让更少的冲击流到乘客室

当然,运动的问题不能不说到能量——因此这里还需要提到另一个能量:动能

动能的导出式是质量乘以速度的平方除以2,也就是质量乘以速度的速度的积分,碰撞前和碰撞后的质量不会发生过多的改变,而速度却由碰撞前的车速降到碰撞后的0——也就是说碰撞之后,动能也会降到0,而能量总体是不会发生改变的(所谓能量守恒定律),因此这里动能必须要转化为其他的能量,而转化的能量,正是由发动机舱的变形产生的形变势能
而当然,车身的任何地方都能通过变形来吸收冲撞之前的动能,因此需要想办法尽量让发动进舱而不是乘客舱变形,那么怎么办?当然是让发动机舱更容易变形了

这就是为什么同样的冲撞条件下,一定的硬度以上,发动机舱越软乘客舱也就越安全的道理——因为发动机舱越软,变形越容易,吸收动能也就越容易,因而流到乘客舱的需要乘客舱吸收的动能也就越少

当然,如果形变过于容易的话,形变吸收的能量总额就会大大减少,反而会带给乘客舱更多的动能,但是如果过于不容易变形的话,形变的量的减少直接带来的是形变吸收的动能减少,因此发动机舱的硬度是个非常复杂的问题——必须要在两者之间找到一个平衡点

好了,接下来的问题是,可能还会有人认为只要乘客舱不变形不就好了么?计算受力啥的有什么意义?

答案是——意义非常重大
为什么?因为这部分流到乘客舱的受力,最终的对象其实还是乘客本身——直接这么说可能不好理解,因此换一种方式说明
比如,平时刹车的时候,是急刹车的时候乘客受力大呢还是缓刹车的时候乘客受力大?当然是前者,因为虽然刹车时的摩擦力是产生在制动系上的,但是制动系和车是连成一整个物体系的,而很不凑巧,你就在这个物体系里面——也就是说,你的运动始终是随着这个物体系一起运动的

回到刚才的问题——为什么要讨论受力的问题?因为你的运动毕竟是随着乘客舱一起的,因此乘客舱的受力就是你的受力,在此同时,你的体重无论如何比可能比车辆更轻,所以你的惯性也就比车辆更小,因此受力过大时自然你会飞出车外——用动量守恒的角度来解释的话,就是以你的速度换回车辆碰撞的速度,于是反而成了你“保护”车了

当然,这个时候安全带和安全气囊就是你的救星了——只是需要注意的是,如果受力过大,安全带可能会导致骨折,而安全气囊更是有可能导致窒息

因此这就是为什么事实上,发动机舱的钢板越软的车反而越安全的缘故

当然,如果汽车和装甲车碰撞,毫无疑问赢家是钢板更硬的装甲车——那么以上的结论为何在这里就不成立了呢?

答案是多方面的,其中之一是装甲车的钢板硬度是普通乘用车的很多倍,通常情况下和乘用车碰撞时的力量甚至可能还不足以让装甲车发生不可恢复形变,其次依靠这种很硬的钢板,装甲车的质量非常大,质量大的好处就是惯性同样非常大,因此碰撞时虽然作用力和反作用力相同因此相撞的辆车受力肯定相同,但是这个力量对惯性更大的装甲车的效果也就越小;而更为恐怖的是,由于普通车的惯性不如装甲车硬度不如装甲车,碰撞之后乘用车反而成了装甲车的缓冲区——这就是为什么虽然受力很大但是装甲车的乘客在和普通乘用车碰撞时通常不会受重伤的缘故

只是要注意的是,如果同样的速度条件下,两台装甲车相撞,里面的乘客会比两辆乘用车相撞时更惨——因为装甲车相撞时双方都没有缓冲区,因此碰撞的力量都是原原本本传到了乘客舱,而且因为双方的钢板都很硬所以受力时间短而乘客会需要承受相比于乘用车之下更多的力量

当然,如此厚的装甲,成本也是非常可观的,这也是乘用车不会使用装甲车那样的钢板的原因之一

最后的结语——生命毕竟是只有一次的,安全系数毕竟是有限的,不论科学技术怎么发展恐怕也不会发展到有朝一日车辆相撞时能乘客完全不受到冲击的安全性,所以如果冲撞时相对速度过快,再高的安全系数也是需的,因此开车请遵守道法安全行车

Author: 星野恵瑠

Mac user, Niji-Ota, Chinese, Now working in Japan at MAGES. Inc., Future's aim is that one day my name can be listed in Wikipedia

25 thoughts on “于是好久没写技术文了”

  1. @Firm:
    嘛,毕竟专业是机械工程 (;;)

    @老爸:
    “追尾”?嘛,打拼音的后果就是想当然地就按下空格键也不去注意字了- -b

    @A.L.:
    恩,查了一下,似乎的确是伽利略,也似乎的确有人表示不存在——8过不管怎么说,先前的越重的东西掉的越快的说法被完美否定了 (:D)

    @冬天温泉:
    恩,记错了 (-w-;)

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  2. 嗯,不错,知道用理论去分析问题。学东西最重要的是应用,否则等于没学。不过第二幅照片的说明好像有错别字哟!

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  3. 嘛~~偶尔吐个槽~~首先,比萨斜塔铁球实验是说的伽利略~~然后这个实验事实上是个传闻~据考证是不存在的~~

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  4. 貌似在比萨斜塔上丢了两个不同质量的铁球的人不是牛顿是伽利略吧。。。

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