Como funcionam as zonas de dobra

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As zonas de dobra são projetadas para absorver e redistribuir a força de uma colisão. Veja mais fotos de segurança automotiva. Yellow Dog Productions / Getty Images

A segurança automotiva percorreu um longo caminho nas últimas décadas, e uma das inovações mais eficazes é o zona de dobra. Também conhecido como zona de esmagamento, Zonas de deformação são áreas de um veículo projetadas para deformar e dobrar em uma colisão. Isso absorve parte da energia do impacto, evitando que seja transmitida aos ocupantes.

É claro que manter as pessoas seguras em acidentes de carro não é tão simples quanto fazer todo o veículo amassar. Os engenheiros devem considerar muitos fatores ao projetar carros mais seguros, incluindo tamanho e peso do veículo, rigidez do chassi e as tensões a que o carro provavelmente estará sujeito em um acidente. Por exemplo, carros de corrida sofrem impactos muito mais graves do que carros de rua, e SUVs costumam bater com mais força do que carros pequenos.

Vamos descobrir como as zonas de deformação redistribuem as forças envolvidas em um acidente, de que zonas de deformação são feitas e aprender sobre alguns outros sistemas de segurança avançados que estão sendo testados agora. Também descobriremos como as zonas de deformação foram incorporadas aos carros de corrida e por que uma série de fatalidades em corridas poderiam ter sido evitadas se o esporte tivesse adotado esses recursos de segurança antes. Vamos até dar uma olhada nas zonas de deformação projetadas para absorver o impacto maciço de uma colisão de trem.

Para descobrir as forças envolvidas em uma colisão e aprender como uma zona de deformação bem projetada pode minimizar os ferimentos dos ocupantes, leia a próxima página.

O que há em uma zona de dobra?

Os detalhes dos projetos de zonas de dobra são geralmente informações proprietárias que os fabricantes de automóveis relutam em divulgar. Eles podem variar amplamente, dependendo do tamanho e peso do veículo. Os projetistas precisam encontrar um equilíbrio entre muita resistência ao impacto e pouca resistência ao impacto. Projetos simples podem incluir segmentos de estrutura construídos para dobrar em certas áreas ou colapsar sobre si mesmos. Projetos mais avançados podem utilizar uma variedade de metais e outros materiais cuidadosamente projetados para absorver o máximo possível de energia cinética. Carros de alto desempenho costumam usar um design de favo de mel, que oferece rigidez em condições normais, mas pode desabar e amassar em um acidente.

Conteúdo
  1. Força de Impacto
  2. Compromissos de design
  3. Prevenção de fatalidades em corridas de automóveis
Esses carros foram submetidos ao teste de colisão em uma instalação de pesquisa de segurança automotiva em Wolfsburg, Alemanha. Observe como as zonas de dobra parecem ter absorvido a maior parte do impacto. Peter Ginter / Getty Images

Sempre que um carro se envolve em um acidente, intensas forças cinéticas estão em ação. Uma determinada quantidade de força está presente durante qualquer colisão. Os números reais variam com base na velocidade e massa do carro e na velocidade e massa de tudo o que ele atinge. Os físicos medem esta força como aceleração -- mesmo ao passar de uma velocidade alta para uma velocidade mais baixa, qualquer mudança na velocidade ao longo do tempo é cientificamente chamada de aceleração. Para evitar confusão, vamos nos referir à aceleração de falha como desaceleração.

Zonas de dobra cumprem dois objetivos de segurança. Eles reduzem a força inicial da colisão e redistribuem a força antes que ela alcance os ocupantes do veículo.

A melhor maneira de reduzir a força inicial em uma colisão com uma determinada quantidade de massa e velocidade é desacelerar a desaceleração. Você já viu esse efeito por si mesmo se tiver que pisar no freio por qualquer motivo. As forças que você experimenta em uma parada de emergência são muito maiores do que quando você reduz a velocidade gradualmente para um semáforo. Em uma colisão, diminuir a desaceleração em até mesmo alguns décimos de segundo pode criar uma redução drástica na força envolvida. Força é uma equação simples:

Força = massa * aceleração

Cortar a desaceleração pela metade também reduz a força pela metade. Portanto, alterar o tempo de desaceleração de 0,2 segundos para 0,8 segundos resultará em uma redução de 75 por cento na força total.

Zonas de deformação conseguem isso criando uma zona tampão em torno do perímetro do carro. Certas partes de um carro são inerentemente rígidas e resistentes à deformação, como o compartimento do passageiro e o motor. Se essas partes rígidas baterem em algo, elas desacelerarão muito rapidamente, resultando em muita força. Cercar essas partes com zonas de dobra permite que os materiais menos rígidos sofram o impacto inicial. O carro começa a desacelerar assim que a zona de dobra começa a se dobrar, estendendo a desaceleração por alguns décimos extras de segundo.

Zonas de dobra também ajudam a redistribuir a força do impacto. Toda a força tem que ir para algum lugar - o objetivo é mandá-la para longe dos ocupantes. Pense na força envolvida em um acidente como um orçamento de força. Tudo o que acontece com o carro durante um impacto e cada pessoa dentro do carro no momento do impacto gasta um pouco da força. Se o carro bater em um objeto não estacionário, como um carro estacionado, alguma força será transferida para esse objeto. Se o carro atingir algo com um golpe de raspão e girar ou rolar, grande parte da força é gasta para girar e rolar. Se partes do carro voarem, ainda mais força é gasta. Mais importante ainda, danos ao próprio carro gastam força. Dobrar partes da moldura, quebrar painéis da carroceria, estilhaçar vidros - todas essas ações requerem energia. Pense em quanta força é necessária para dobrar a estrutura de aço de um carro. Essa quantidade de força é gasta para dobrar a estrutura, por isso nunca é transmitida aos ocupantes.

As zonas de deformação baseiam-se nesse conceito. Partes do carro são construídas com estruturas especiais dentro delas, projetadas para serem danificadas, amassadas, esmagadas e quebradas. Explicaremos as próprias estruturas em breve, mas a ideia fundamental é que é preciso força para danificá-las. Zonas de deformação gastam o máximo de força possível para que outras partes do carro, bem como os ocupantes, não sofram os efeitos.

Então, por que não transformar o carro inteiro em uma zona de deformação gigante? E se você precisa de espaço para uma zona de dobra para absorver o impacto, como construir um carro compacto com zonas de dobra? Explicaremos na próxima seção.

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O Inventor da Zona de Crumple

Béla Barényi foi um engenheiro e inventor que passou a maior parte de sua carreira trabalhando para a Daimler-Benz. Seu nome aparece em mais de 2.500 patentes. Uma dessas patentes, emitida em 1952, explica como um carro poderia ser projetado com áreas na frente e na traseira construídas para deformar e absorver energia cinética em um impacto. Ele colocou o conceito em uso em 1959 no Mercedes-Benz W111 Fintail, o primeiro carro a usar zonas de deformação [fonte: German Patent and Trade Mark Office].

Este BMW obviamente sofreu um forte impacto e parece muito danificado. No entanto, nenhum dos danos foi no compartimento de passageiros - a zona de deformação dianteira fez seu trabalho. Tim Graham / Getty Images

Absorver e redirecionar o impacto é ótimo, mas não é o único problema de segurança com que os projetistas de automóveis precisam se preocupar. O compartimento do passageiro do carro deve resistir à penetração de objetos externos ou outras partes do carro e precisa se manter unido para que os ocupantes não sejam jogados para fora. Você não pode transformar um carro inteiro em uma zona de deformação porque não quer que as pessoas dentro dele também. É por isso que os carros são projetados com uma estrutura rígida e forte envolvendo os ocupantes, com zonas de deformação na frente e na traseira. A redução e redistribuição da força é realizada dentro do compartimento de passageiros através do

uso de airbags.

Existem algumas partes dos carros que simplesmente não podem amassar. O motor é o principal infrator - na maioria dos veículos, o motor é um bloco de aço grande e pesado. Sem amassar lá. O mesmo vale para veículos com blocos de motor de alumínio. Às vezes, os carros precisam ser reprojetados para mover o motor mais para trás no quadro para acomodar uma zona de deformação maior. No entanto, isso também pode causar problemas - se o motor for empurrado de volta para o compartimento do passageiro como resultado do impacto, pode causar ferimentos.

-Os tanques de combustível e baterias, em veículos elétricos ou híbridos, também precisam ser protegidos contra impactos para evitar incêndios ou exposição a produtos químicos tóxicos. Eles podem ser projetados de forma que uma seção da estrutura proteja o tanque, mas essa parte da estrutura pode dobrar para longe do impacto. Por exemplo, se um carro tiver a extremidade traseira, a estrutura dobra para cima, levantando o tanque de gasolina do caminho e absorvendo algum impacto. Carros mais novos têm sistemas que cortam o suprimento de combustível para o motor durante uma colisão, e o Tesla Roadster, um carro elétrico de alto desempenho, tem um sistema de segurança que desliga as baterias e drena toda a energia elétrica dos cabos que passam pelo carro quando ele detecta uma emergência [fonte: Tesla Motors].

Claro, é fácil construir zonas de deformação em um veículo grande com bastante espaço para amassar antes que o compartimento do passageiro seja impactado. Projetar zonas de deformação em veículos pequenos exige um pouco de criatividade. Um bom exemplo é o smart fortwo, um extremamente pequeno

e veículo eficiente. O motorista e o passageiro são encerrados na célula de segurança tridion, uma estrutura de aço com excelente rigidez para seu tamanho. A geometria foi projetada para distribuir os impactos por toda a estrutura. Na parte frontal e traseira do smart fortwo estão os smart calls caixas de choque. Essas são pequenas estruturas de aço que se dobram e se dobram para absorver os impactos. Como as caixas de proteção são tão pequenas, outros recursos de absorção de impacto foram usados ​​para complementá-las. Por exemplo, a transmissão pode atuar como um amortecedor no caso de uma colisão frontal. A curta distância entre eixos do fortwo significa que quase qualquer impacto envolverá os pneus, rodas e suspensão. Esses componentes foram projetados para deformar, quebrar ou ricochetear, ajudando a absorver ainda mais energia cinética durante um impacto [fonte: smart USA].

A seguir, veremos como as zonas de deformação estão ajudando a manter vivo o seu piloto de corrida favorito.

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Crumple Zones on Trains

Já falamos sobre a incrível força cinética que atua quando um carro bate, mas imagine a força envolvida quando dois trens colidem. Devido ao imenso peso de um trem, uma colisão pode criar forças dezenas ou até centenas de vezes maiores do que em um acidente de carro. No entanto, as zonas de deformação podem ser usadas mesmo sob essas circunstâncias extremas. Usando simulações de computador 3D, os engenheiros podem construir uma zona de deformação que se deforma de forma constante e uniforme durante o impacto, absorvendo a força máxima possível. As zonas de deformação são então colocadas em ambas as extremidades de cada vagão em um trem de passageiros. No caso de uma colisão, a reação em cadeia de carros batendo uns nos outros distribui a força por todas as zonas de deformação do trem. Isso poderia absorver o suficiente das forças de impacto para evitar ferimentos nos passageiros [fonte: Machine Design].

Alguns acidentes, como este envolvendo o piloto de Fórmula 1 Robert Kubica, parecem espetaculares e horripilantes. Na verdade, a destruição do carro provavelmente salvou a vida de Kubica. DAVID BOILY / AFP / Getty Images

Mesmo que você não seja um fã de corridas de automóveis, provavelmente já viu imagens de colisões espetaculares em que carros tombam pela pista, arremessando peças em todas as direções enquanto o carro é literalmente destruído. No entanto, milagrosamente, o motorista sai dos destroços retorcidos e sai andando ileso. Embora essas falhas pareçam horríveis, toda aquela destruição espetacular está gastando energia cinética. Provavelmente não é um passeio divertido para o motorista, mas o carro está fazendo exatamente o que foi projetado para fazer nesta situação - proteger a pessoa no assento do motorista.

Também houve raras ocasiões em que um carro de corrida bateu em um objeto sólido em alta velocidade, como o acidente do piloto da NASCAR Michael Waltrip em Bristol em 1990. Ele atingiu a extremidade cega de uma parede de concreto em velocidades de corrida e o carro parou repentinamente . O impacto gerou forças enormes, mas Waltrip saiu ileso. O motivo fica evidente ao olhar para os restos de seu carro naquele dia. Foi completamente destruído. Toda aquela força foi gasta na destruição do carro. Claramente, o incidente foi muito além da capacidade de qualquer zona de deformação e, na verdade, foi simplesmente uma questão de sorte que nada se intrometeu no compartimento do motorista para ferir Waltrip. A redistribuição forçada salvou sua vida.

As consequências do acidente que matou Dale Earnhardt, Sr. Seu carro, o preto # 3, não parece estar muito danificado. Robert Laberge / Allsport / Getty Images

No entanto, há um contraponto infeliz ao conceito. Dos anos 1980 ao início dos anos 2000, houve inúmeras fatalidades em corridas devido ao chassi excessivamente rígido. Provavelmente, o incidente mais conhecido é a morte de Dale Earnhardt Sr. na Daytona 500 de 2001. A batida inicialmente não parecia ser severa, e o carro não parecia ter sofrido grandes danos; entretanto, esse era exatamente o problema. Grande parte da força do impacto foi transferida diretamente para o motorista, causando ferimentos graves e imediatos. A lesão fatal foi uma fratura da base do crânio, uma lesão na área onde o crânio e a medula espinhal se conectam. Essa lesão é a causa da morte em muitos acidentes de corrida de automóveis e ocorre quando a cabeça se projeta para a frente no impacto enquanto o corpo permanece preso por cintos de segurança. Embora os dispositivos de restrição de cabeça e pescoço tenham reduzido a incidência de fraturas da base do crânio, a redução das forças de impacto sobre o motorista também desempenhou um papel importante.

Vários outros pilotos conhecidos morreram durante este período, bem como pilotos menos conhecidos nas classes modificadas e modelos posteriores da NASCAR correndo em pistas nos Estados Unidos. A razão por trás do aumento de acidentes fatais foi simplesmente a busca por melhor desempenho. Os projetistas e equipes de automóveis buscaram um melhor manuseio criando um chassi mais rígido. Isso incluiu adicionar componentes à estrutura, usar trilhos retos e mudar para tubos de aço com paredes mais espessas. Claro, eles tornaram o chassi mais rígido, mas quando esses carros inflexíveis bateram em uma parede, não houve cedência. Nenhuma força foi absorvida pelo carro - o motorista sofreu a maior parte do impacto.

Mesmo antes da morte de Earnhardt em 2001, as pistas de corrida estavam tentando encontrar soluções para esse problema. Faixas no nordeste dos Estados Unidos experimentaram blocos gigantes de isopor industrial revestindo as paredes, um conceito semelhante à tecnologia de parede macia usada em muitas supervelocidades hoje. Mais importante, os carros foram trocados. Tubos de aço de calibre mais fino agora são usados ​​em certas partes do chassi, e os trilhos da estrutura recebem uma dobra ou entalhe para deformarem de forma previsível com o impacto.

O Carro do Amanhã da NASCAR, usado nas corridas Sprint Cup, tem espuma e outro material de absorção de impacto inserido em áreas críticas do quadro. Embora as corridas de automóveis sempre sejam um esporte perigoso, o uso de construção de chassi menos rígida, tecnologia de parede macia e sistemas de retenção de cabeça e pescoço reduziram bastante as forças de impacto de colisão nos motoristas.

Para obter mais informações sobre dispositivos de segurança automotiva, corrida e outros tópicos relacionados, siga os links na próxima página.

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Ride Down de segurança

A Volvo está desenvolvendo outra tecnologia de absorção de impacto para uso em carros pequenos. O assento do motorista é montado no que é basicamente um trenó sobre um trilho, com amortecedores à frente. Em um impacto, todo o "trenó" (assento e motorista incluídos) desliza para frente até 20 centímetros, e os amortecedores literalmente fazem seu trabalho, absorvendo o choque do impacto. Ao mesmo tempo, o volante e uma seção do painel deslizam para frente para dar lugar ao motorista. Combinado com uma zona de deformação frontal e possivelmente um airbag, esse sistema pode reduzir muito as forças que atuam no motorista em uma colisão frontal [fonte: Ford Motor Company].

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Mais ótimos links

  • Revista Circle Track
  • Mundos materiais
  • NASCAR

Fontes

  • Akins, Ellen. "Segurança em carros pequenos: o conceito de segurança Ride Down da Volvo." Ford Motor Company. 12 de janeiro de 2005. (1 de agosto de 2008) http://media.ford.com/newsroom/feature_display.cfm?release=19713
  • Bolles, Bob. "Segurança do Stock Car - um curso de atualização." Pista do Círculo. (1 ° de agosto de 2008) http://www.circletrack.com/safety/ctrp_0805_stock_car_safety/index.html
  • Projeto da máquina. "A zona de impacto vai desmoronar? FEA informa." 6 de novembro de 2003. (31 de julho de 2008) http://machinedesign.com/ContentItem/62566/WillthecrashzonecrumpleFEAtells.aspx
  • Mundos materiais. "Os efeitos das zonas de deformação: colide com a parede." (1º de agosto de 2008) http://www.materialworlds.com/sims/Crash/
  • Smart USA. "Uma casca dura com um interior macio." (1 de agosto de 2008) http://www.smartusa.com/smart-fortwo-safety-design.aspx
  • Tesla Motors. "Segurança." (31 de julho de 2008) http://www.teslamotors.com/design/safety.php
  • O Escritório Alemão de Patentes e Marcas. "Béla Barényi." (31 de julho de 2008) http://www.dpma.de/ponline/erfindergalerie/e_bio_barenyi.html



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