Jak to działa: pasy bezpieczeństwa

Eksperci ds. bezpieczeństwa ruchu drogowego są zgodni, że zapinanie pasów ogromnie zwiększa szansę przeżycia wypadku. Amerykańskie NHTSA podaje, że pasy redukują ryzyko śmierci na skutek wypadku o 50 procent. Trzypunktowe zadebiutowały w seryjnym wyposażeniu w Volvo w 1959 r. Szwedzi uwolnili prawa do tego wynalazku, by każdy producent mógł wprowadzić je w swoich samochodach.

Idea jest prosta – w momencie wypadku pasy mają zapobiegać przemieszczaniu się ciała wewnątrz auta lub wypadnięciu z niego. Ale jak to się dzieje, że w chwili nagłego zatrzymania pojazdu ciało „chce” poruszać się dalej?

Przyczyną jest bezwładność. Bezwładność to w uproszczeniu zdolność ciała materialnego do zachowania swego stanu ruchu, gdy działające na nie siły zewnętrzne równoważą się. Mówiąc jeszcze prościej, ciało będzie dążyło do zachowania stanu w jakim się znajduje, dopóki nie zacznie działać na nie inna siła. Na przykładzie – gdy autobus rusza, a ty stoisz w środku, ciało będzie dążyło do pozostania w bezruchu – często musisz się złapać poręczy, by uniknąć odrzucenia do tyłu.

Kiedy podróżujesz samochodem, dajmy na to z prędkością 50 km/h, twoje ciało również przemieszcza się z tą prędkością. Ale gdy samochód nagle się zatrzyma, na przykład uderzając w drzewo, twoje ciało wciąż „chce” przemieszczać się z prędkością 50 km/h. Jeśli nie zapniesz pasów, uderzysz z tą prędkością w kierownicę, albo wylecisz przez przednią szybę. I tak jak drzewo zatrzymało samochód, tak kokpit, albo asfalt, jeśli wylecisz przez szybę, wyhamuje pęd Twojego ciała.

Niezależnie od rodzaju wypadku coś musi sprawić, że twoje ciało się zatrzyma. W zależności od tego, co to będzie i jak zadziała – możesz wyjść z wypadku bez obrażeń albo zginąć na miejscu.

I tu do akcji wkraczają pasy bezpieczeństwa – mają z zadanie sprawić, by siła, która cię zatrzyma, nie zrobiła ci krzywdy, albo chociaż zmniejszyła obrażenia.

Jeśli są prawidłowo zapięte, w większości przypadków większość siły zatrzymującej ciało w miejscu rozchodzi się na klatkę piersiową i biodra, które są relatywnie wytrzymałymi częściami naszego ciała. W związku z tym, że pas rozciąga się od bioder, przez klatkę piersiową po ramiona, siła ta rozchodzi po stosunkowo dużym obszarze ciała. Gdyby zadziałała tylko w niewielkim obszarze, siła mogłaby wyrządzić większą krzywdę. Do tego pasy wykonane są z materiału, który się delikatnie rozciąga, więc siła ta nie działa tak zdecydowanie.

Pasy byłyby znacznie mniej skuteczne, gdyby nie strefy kontrolowanego zgniotu. To obszary w aucie, które relatywnie łatwo ulegają zniszczeniu, ale dzięki temu absorbują część siły uderzenia w przeszkodę. Część pasażerska jest bardziej wytrzymała, dzięki czemu nie ulega zgnieceniu razem z pasażerami. Można powiedzieć, że strefy kontrolowanego zgniotu w pewien sposób „wyhamowują” samochód w chwili uderzenia.

Prawidłowo działające bezwładnościowe pasy (to też patent Volvo, z 1969 r.), rozciągają się i zwijają, gdy będziesz spokojnie pochylać ciało do przodu i cofać w kierunku oparcia. Ale w chwili wypadku pas błyskawicznie napnie się, utrzymując ciało w miejscu. Jest to możliwe dzięki mechanizmowi zwijacza. Jeden koniec pasa przymocowany jest do szpuli, połączonej ze sprężyną. Gdy naciągasz pas, szpula kręci się w kierunku przeciwnym do ruch wskazówek zegara, co powoduje naciągnięcie sprężyny. Sprężyna „chce” wrócić do swojego oryginalnego kształtu, więc w chwili, gdy puścisz pas, szpula zaczyna się kręcić w przeciwnym kierunku, a pas się zwija.

Zwijacz wyposażono w mechanizm blokujący, który uniemożliwia ruch szpuli w momencie wypadku. Mechanizmy te działają różnie, w najprostszych zastosowano np. metalowe kulki, które leżą swobodnie w mechanizmie, a w chwili wypadku siła bezwładności przesuwa je do przodu, kulka  unosi zapadkę, która uniemożliwia przesuwanie się pasa. Działanie tego elementu obrazuje poniższy film:

Stosowane dziś rozwiązania uruchamiają się też w chwili szarpnięcia pasa – kiedy rozwijamy go powoli, szpula kręci się bez problemów, ale w chwili szarpnięcia siła odśrodkowa kręcącej się szybciej szpuli działa na znajdującą się wewnątrz dźwigienkę, która powoduje zablokowanie ruchu szpuli.

Elementem praktycznie wszystkich systemów pasów bezpieczeństwa montowanych we współczesnych samochodach są napinacze. Tu znowu pionierami byli Szwedzi, montując je w Volvo od 1987 r. To element, który ma za zadanie w chwili uderzenia naciągnąć pas i docisnąć ciało pasażera do fotela. To pozwala na uzyskanie przestrzeni na późniejsze stopniowe wyhamowanie ciała wyrzucanego do przodu.

Oto przykład jak działają napinacze w mocowaniu pasa bezpieczeństwa:

Najpopularniejsze są napinacze pirotechniczne. Są one podłączone do tych samych czujników, które aktywują poduszki powietrzne. W chwili, gdy „dostrzegą” one nagłe wytracenie prędkości na skutek uderzenia w przeszkodę, aktywowane są napinacze i wystrzeliwane poduszki. Impuls elektryczny powoduje eksplozję w zbiorniczku z gazem zamontowanym w mocowaniu pasa albo przy mechanizmie zwijacza. W efekcie pod wpływem ciśnienia mechanizm uciąga mocowanie pasa albo powoduje obrót szpuli w zwijaczu, a w konsekwencji – napina pas.

Skoro napinacz naciąga pas i utrzymuje ciało w miejscu, skąd potrzeba uzyskania wspomnianej wcześniej przestrzeni na wyhamowanie? Ciało przyszpilone do fotela zatrzymałoby się momentalnie, ale groziłoby to obrażeniami organów wewnętrznych, które wciąż z siłą bezwładności przesuwałyby się do przodu. Dlatego ciało mimo pasa musi mieć możliwość przesunięcia się do przodu i uderzenia w poduszkę powietrzną. Aby było to możliwe, potrzebne są...

Urządzenie to pozwala na pewne poluzowanie pasa w celu zmniejszenia nacisku, jaki wywiera on na klatkę piersiową. Na przednich miejscach ograniczniki napięcia pasa są do progowej wartości najmniejszej zbadanej wytrzymałości tej części ciała. Gdy nacisk przekracza wartość progową, pas poluźnia się, pozwalając ciału na opadnięcie na poduszkę powietrzną.

Jak działają razem z napinaczami wyjaśnia ten film:

Ten zestaw elementów pozwala na to, by ciało człowieka w chwili kolizji w optymalnym momencie i z odpowiednią siłą uderzyło w poduszkę powietrzną, która zapobiega dalszym urazom.

Jednak najsłabszym ogniwem w całym procesie jest jak zazwyczaj człowiek. To on musi wykonać ruch ręką i świadomie zapiąć pas. A niestety nie brakuje takich, którzy wierzą, że pasy bezpieczeństwa w chwili wypadku bardziej szkodzą, niż pomagają. Ale tacy muszą się chyba przekonać o ich działaniu na własnej skórze.