Основные положения теории удара

Вместе с ростом автомобильного парка и плотности транспортных потоков увеличивается число столкновений автомобилей и их наездов на неподвижные препятствия. В некоторых странах на эти виды ДТП приходится до 50% всех происшествий.

Происшествия, связанные со столкновением автомо­билей и их наездом на неподвижное препятствие, имеют много общего. В процессе столкновений и наездов авто­мобили, пассажиры и водители подвергаются воздействию ударных нагрузок, действующих в течение короткого про­межутка времени, но весьма значительных. В теорети­ческой механике ударом называют процесс взаимодей­ствия тел, при котором за бесконечно малый промежуток времени скорости изменяются до конечного значения. Силы, действующие на соприкасающиеся тела при ударе, настолько велики, что остальными силами можно пре­небречь. Ударные нагрузки могут разрушить самые проч­ные и массивные детали автомобиля: лонжероны рамы, каркас кузова, картера и балки мостов, блок цилиндров.

Человек может выдержать без вреда кратковремен­ную перегрузку (в течение 0, 05—0, 10 с) около 40—50g. Некоторые водители считают, что смогут уменьшить силу удара при встречном столкновении, опираясь на рулевое колесо. Ошибочность такого мнения станет ясной, если сравнить силу инерции, действующую на водителя при лобовом ударе (8—10 кН), с мускульными усилиями рук (0, 6—0, 8 кН) и ног (1, 0—1, 5 кН). Передний пассажир не имеет опоры для рук, к тому же он менее внимательно следит за дорогой, чем водитель и, как правило, не может своевременно подготовиться к удару. Поэтому столкнове­ния и наезды на препятствия заканчиваются для пасса­жира тяжелыми травмами, часто со смертельным исходом.

Процесс удара принято разделять на две фазы. Первая фаза продолжается от момента соприкосновения тел до момента их наибольшего сближения. Вторая фаза продолжается от конца первой фазы до момента разъедине­ния тел. Во время первой фазы кинетическая энергия тел переходит в механическую энергию разрушения и деформаций деталей, а также в потенциальную энергию и тепло. Во второй фазе удара потенциальная энергия упругих частей, деформированных в процессе сближения тел, вновь переходит в кинетическую энергию, способ­ствуя разъединению тел. При столкновении автомобилей и их наезде на неподвижное препятствие длительность первой фазы составляет 0, 05—0, 10 с, а второй— 0, 02—0, 04 с.

Потерю энергии при ударе оценивают с помощью коэффициента восстановления K_уд, представляющего со­бой отношение относительных скоростей тел перед ударом и после него:

(7.1)

где U₁ и U₂ — скорости тел / и // до удара (рис. 7.1, a); U'₁ и U'₂— скорости тех же тел после удара (рис. 7.1, б).

При K_уд=0 удар абсолютно неупругий, при K_уд=1 — абсолютно упругий. Как абсолютно упругих, так и абсо­лютно неупругих тел в природе не существует, поэтому всегда 0< K_уд< 1. Коэффициент К_уд определяют экспери­ментально. Примерные его значения при ударах некоторых материалов таковы:

При изучении удара формулу (7.1) обычно применяют совместно с уравнением количества движения системы:

(7.2)

где т₁ и m₂— массы тел / и // соответственно (см. рис. 7.1).

Если коэффициенты восстановления соударяющихся тел I и II равны (К_уд1=К_уд2=К_уд), то, зная скорости U'₁ и U'₂ после удара, можно найти начальные значения скоростей:

Рис 7. 1. Схема движения тел

а — до удара, б — после удара

Однако достоверных данных о значениях K_уд для автомобилей, к сожалению, немного, и в этом направле­нии предстоит еще большая работа. Информация, содер­жащаяся в различных источниках, часто противоречива. Так, по данным американского Общества инженеров-автомобилистов {SAE), значение K_уд при встречных столк­новениях легковых автомобилей находится в пределах О...0, 089, что позволяет расценивать такие столкновения как абсолютно неупругие. Немецкий исследователь Р. Эберан считает, что K_уд зависит от относительной скорости соударяющихся автомобилей, составляя при U 8, 3 м/с примерно 0, 7, а при U 15 м/с—около 0, 1. В нашей стране исследование для автомобилей проведено А. В. Арутюняном. Экспериментальные наезды автомобилей ГАЗ-21 «Волга» на неподвижное жесткое препятствие (железобетонный куб) дали значения K_уд =0, 11 0, 17.

Непосредственное применение теории удара в экспер­тизе ДТП затрудняется рядом обстоятельств. В теории рассматривается столкновение тел простой формы (шаро­образных, плоских) и однородных (изотропных), упругие и прочностные свойства которых в каждой точке тела одинаковы. Автомобили же представляют собой сложные механические системы с различными внешними очерта­ниями и разной внутренней структурой. Механические свойства такой системы в отдельных ее местах могут быть резко различными. Так, жесткость и прочность обли­цовки радиатора или переднего крыла незначительны, а жесткость и прочность рамы или балки переднего моста достаточно велики. При этом в процессе столкновения автомобилей они контактируют не в одной точке, как это рассматривается в теории удара, а на обширных участках со сложной конфигурацией. В идеальном случае считают, что поверхности соударяющихся тел гладкие, а трение и механическое зацепление отсутствуют. Поэтому силы взаи­модействия соударяющихся тел направлены по нормали к касательной, проведенной через точку первоначального контакта обоих тел. В действительности контактировать могут одновременно несколько деталей, и на автомобиль действуют несколько сил, различных по значению, на­правлению, продолжительности и точкам приложения. В итоге действительные последствия столкновения, в частности, скорости и перемещения автомобилей, вычис­ленные на основании теории удара, могут не совпадать с параметрами конкретного ДТП.