براساس گزارش ادارهي ملي ايمني بزرگراهها آمريكا (NHTSA) استفاده از كمربند ايمني سالانه جان ۱۳ هزار آمريكايي را نجات ميدهد و در تصادفات منجر به مرگ، حدود ۷ هزار نفر از آمار متوفيان را ميكاهد. البته استفاده از كمربند ايمني در بعضي حالات نادر، ميتواند باعث بروز آسيبهاي جدي و مرگ شود؛ اما تقريبا همهي متخصصان ايمني بر اين باورند استفاده از كمربند ايمني ميتواند بخت زندهماندن سرنشينان در تصادفات را بهطورچشمگيري افزايش دهد. با استناد به گزارش NHTSA، استفاده از كمربند ايمني حداكثر ۵۰ درصد احتمال مرگ سرنشينان جلو را كاهش ميدهد.
با اندكي تأمل در اين آمار و ارقام، به تأثير شگفتانگيز كمربند ايمني در حفظ جان افراد پي ميبريم؛ اما بهراستي تسمهاي پارچهاي چگونه ميتواند فاصلهي ميان مرگ و زندگي باشد؟ اين قطعهي بهظاهر ساده چگونه عمل ميكند؟ چه فناورياي در پس اين حافظ جان انسانها نهفته است؟ در اين مقاله، سعي ميكنيم ضمن پاسخگويي به اين سؤالات، ساير جنبههاي متخصص و پيشرفتها در اين زمينه را مطالعه كنيم.
مفهوم تصادف و قوانين فيزيكي حاكم بر آن
ايدهي ابتدايي استفاده از كمربند ايمني بسيار ساده است: اين تكه تسمهي بافتهشده وظيفه دارد از پرتابشدن و حركت ناگهاني سرنشينان بهسمت جلو هنگام توقف ناگهاني ناشي از تصادف جلوگيري كند. سؤال مهم اين است: چرا هنگام تصادف يا توقف ناگهاني بهسمت جلو پرتاب ميشويم؟ پاسخ كوتاه «اينرسي» است.
اينرسي تمايل جسم براي حفظ حركت با سرعت و جهت مشخص است تا زمانيكه سرعت يا جهت حركت يا هر دو بهواسطهي عاملي بيروني دچار تغيير شود. بهبيانديگر، اينرسي مقاومت جسم دربرابر تغيير سرعت يا جهت حركت است؛ چراكه بهطورطبيعي اجسام دوست دارند حالت پيشين خود را حفظ كنند. براي مثال، خودرويي كه با سرعت ۸۰ كيلومتر بر ساعت در جهتي خاص در حال حركت است، براساس اينرسي به حفظ جهت و سرعت حركت خود تمايل دارد. در اين حالت، مقاومت هوا و اصطكاك سرعت خودرو را كاهش ميدهند كه در اين حالت، پيشرانه وظيفهي جبران مقاومتهاي ذكرشده را برعهده دارد.
علاوهبر خودرو، سرنشينان و ساير اجزاي موجود در خودرو اينرسي خاص خود را دارند كه با اينرسي خودرو متفاوت است. براي درك اين موضوع، تصور كنيد خودرو از حالت سكون سرعتگيري براي رسيدن به سرعتي خاص را شروع ميكند. در اين حالت، افراد و اجزاي موجود در خودرو بهطورتقريبي با شتاب و سرعتي برابر با خودرو بهحركت درميآيند. در اين وضعيت، تصور ميكنيد خودرو و تمام سرنشينان و اجزاي آن بايد بهصورت شيئي واحد در انديشه متخصصين گرفته شوند؛ اما درصورت برخورد خودرو با تير چراغ برق، بهطورواضح مشاهده ميشود اينرسي خودرو و ساير اجزاي موجود در آن متفاوتاند. در اين حالت، تير چراغ برق سبب ميشود خودرو در كسري از ثانيه به حالت سكون برسد؛ اما سرنشينان تمايل دارند با سرعت قبلي (آخرين سرعت قبل از برخورد) به حركت ادامه دهند.
بدون استفاده از كمربند ايمني، سرنشينان با آخرين سرعت قبل از تصادف بهسمت جلو پرتاب ميشوند كه در اين وضعيت، يا به فرمان يا به شيشهي جلو يا به صندلي سرنشينان جلو خودرو برخورد خواهند كرد. نتيجهي اين برخورد رسيدن به حالت سكون خواهد بود؛ اما انرژي ناشي از برخورد ميتواند بهراحتي سبب مرگ يا جراحات جدي شود. بههميندليل، هنگام وقوع تصادف اينرسي سرنشينان بايد با اعمال نيرو كنترل شود. نيروي اعمالي بايد به نواحي مشخص و با اندازهاي كنترلشده به سرنشينان وارد شود تا خود سبب بروز آسيب نشود. براي مثال، درصورت برخورد سر سرنشينان با شيشهي جلو، نيروي زيادي بهصورت متمركز به سر وارد خواهد شد كه نتيجهي آن آسيبهاي جدي است. كمربند ايمني با اعمال نيروي بازدارنده بر نواحي كمخطرتر بدن، ضمن توزيع نيروي حاصل از برخورد، مدت زمان اعمال نيرو را افزايش ميدهد تا توزيع نيروي لحظهاي كاهش يابد و بخشهاي حياتي بدن را از آسيب جدي حفظ كند.
نقش كمربند ايمني حين برخورد
در بخش قبل، دريافتيم هنگام تصادف، خودرو در كسري از ثانيه متوقف ميشود و درنتيجهي وجود اينرسي، سرنشينان به حفظ سرعت قبلي تمايل دارند؛ ولي بايد با اعمال نيرويي اينرسي سرنشينان مهار شود. وظيفهي كمربند ايمني اين است كه با توزيع نيروي حاصل از برخورد در نقاط با آسيبپذيري كمتر، از پرتابشدن سرنشينان جلوگيري كند. در بخش جلو و عقب خودرو، فضاهايي وجود دارند كه وظيفهشان جذب ضربات تصادف ازطريق خُردشدن و تغيير شكل است. هنگام تصادف، بخشي از نيرو صرف خُردكردن و تغييرشكل اين فضاها ميشود و بقيهي نيرو به كابين خودرو و سرنشينان وارد ميشود.
كمربند ايمني معمولي با توزيع نيرو روي دو بخش مجزا، وظيفهي خود را انجام ميدهد. بخشي در ناحيهي فوقاني بدن (دور كمر) قرار ميگيرد و بخش ديگر از شانه تا روي قفسهي سينه امتداد مييابد. كمربند ايمني محكم به بدنهي اصلي خودرو متصل ميشود تا از عملكرد مناسب آن مطمئن شود. درصورت استفادهي صحيح از كمربند ايمني، هنگام تصادف بخش بزرگي از نيروي بازدارنده به ناحيهي مياني بدن و قفسهي سينه وارد خواهد شد كه در اغلب مواقع بدون آسيب سبب حفظ جان سرنشينان ميشود. با اين كار، نيروي بازدارنده در سطح زيادي از بدن توزيع ميشود؛ بههميندليل، اندازهي نيروي اعمالي درمقايسهبا حالتي كمتر است كه نيروي بازدارنده بر ناحيهاي كوچك نظير سر متمركز ميشود. بهعلاوه، الياف استفادهشده در كمربند ايمني قابليت كشساني بسيار اندكي دارند كه اين موضوع هنگام بروز تصادفات شديد ممكن است بخشي از نيروي تصادف را جذب كند و سبب كشآمدن كمربند شود تا درنتيجهي آن، از ميزان نيروي اعمالي به سرنشينان كاسته شود.
سادهترين نوع كمربند ايمني را ميتوان در بعضي از ترنهاي هوايي يافت. در اين كمربندها، تسمهي تنيدهشدهاي از الياف با استحكام فراوان به بدنهي ترن پيچ و با بستهشدن آن، سرنشين محكم و با حداقل آزادي به صندلي فشرده ميشود. اين حالت ايمني زيادي دارد؛ اما راحتي سرنشينان را تحتتأثير قرار ميدهد. خوشبختانه كمربند ايمني بهكاررفته در خودروها قابليت باز و جمع شدن دارد. اين كمربندها به مكانيزمي مجهزند كه ميتوانند با تغيير طول سبب ايجاد آزادي حركتي مناسب شوند و سرنشين را همواره ايمن روي صندلي حفظ كنند.
مكانيزم استفادهشده در كمربندي ايمني
در كمربند ايمني معمولي، تسمهي كمربند به مكانيزمي جمعكننده متصل است. هستهي مركزي اين مكانيزم از قرقرهاي تشكيل شده است كه فنر پيچشي گشتاور موردنياز براي چرخاندنش را فراهم ميكند. اين مكانيزم سبب ميشود براي بستن كمربند ايمني مجبور شويد آن را بكشيد تا هميشه طول بهينهي كمربند براي حفاظت حداكثري از سرنشين حفظ شود.
با كشيدن كمربند ايمني، قرقره بهصورت پادساعتگرد ميچرخد و درنتيجهي آن، فنر پيچشي نيز بهصورت پادساعتگرد جمع ميشود. انرژي پتانسيل فنر سبب چرخش ساعتگرد قرقره و جمعشدن تسمهي كمربند ميشود. اين مكانيزم علاوهبر جمعكردن تسمه، هنگام استفاده از كمربند ايمني سبب محكمشدن آن روي بدن ميشود. مكانيزم جمعكنندهي كمربند ايمني به قفلي نيز مجهز است كه از افزايش طول كمربند هنگام تصادف مانع ميشود. بهطوركلي، مكانيزم قفلكنندهي كمربند ايمني به دو صورت فعال ميشود: نوعي از قفلها با تشخيص تغيير ناگهاني در حركت خودرو فعال ميشود و در نوع ديگر، تغيير ناگهاني در حركت تسمهي كمربند آن را فعال ميكند.
در سيستم قفل نوع اول، سيستم قفل با تشخيص كاهش شتاب شديد و ناگهاني مانند حالتي كه در تصادف روي ميدهد، سبب قفلشدن كمربند ميشود و از افزايش طول تسمه و برخورد سرنشينان با فرمان و ساير اجزا جلوگيري ميكند. بخش اصلي در اين مكانيزم پاندولي (وزنه) با وزن مشخص است كه به دندانهاي متصل است. هنگام وقوع تصادف، اينرسي پاندول سبب حركت آن بهسمت جلو و درنتيجهي آن، دندانهي متصل به سر ديگر پاندول با دندانههاي قرقره درگير ميشود. با درگيرشدن دندانهها، چرخش قرقره متوقف و افزايش طول كمربند متوقف ميشود. با رسيدن به حالت سكون پس از تصادف، پاندول دوباره در موقعيت تعادل قرار ميگيرد و دندانهها از يكديگر جدا ميشوند و عملكرد كمربند به حالت عادي بازميگردد.
در سيستم قفل نوع دوم، سرعت چرخش قرقره عامل فعالشدن قفل كمربند ايمني است. قطعهي اصلي در اين مكانيزم كلاچي گريز از مركز است. در نمونههاي ساده، اهرمي متصل به فنر روي قرقره تعبيه شده است كه در حالت چرخش عادي و آرام، قرقره كامل روي آن قرار گرفته است. با چرخش قرقره سريعتر از حد تعيينشده، فنر متصل به اهرم سبب ميشود تحتتأثير نيروي گريز از مركز زبانهي اهرم بهسمت خارج از قرقره حركت كند. اين جابهجايي كوچك كافي است تا دندانهي تعبيهشده در خارج از قرقره با اهرم درگير شود. دندانهي يادشده را پين درون مسيري منحني روي قطعهاي متشكل از چند دندانه ميلغزاند و اين لغزش تا انتهاي مسير سبب حركت جزئي دندانهها و بالاآمدن و قفل شدن آنها با دندانههاي قرقره ميشود. تمام اين اتفاقات، تنها در كسري از ثانيه رخ ميدهد و سبب قفلشدن كمربند ايمني و حفظ جان سرنشينان ميشود.
با پيشرفت فناوري و مهندسي، نسل جديدي از كمربندهاي ايمني توليد و در خودروهاي امروزي بهكار گرفته ميشود. در اين كمربندهاي ايمني، مكانيزمي كمكي بهنام «پيشكشنده» سبب ميشود با تشخيص تصادف، كمربند ايمني دور بدن سرنشينان محكمتر شود.
كمربند ايمني پيشكشنده
ايدهي ابداع سيستم پيشكشنده در كمربندهاي ايمني از آنجا شكل گرفت كه گاهي تسمهي كمربند محكم و بهينه دور بدن سرنشينان قرار نميگيرد و بهعبارتديگر، تسمه اندكي خلاصي دارد كه البته براي رفاه سرنشينان الزامي است. شلبودن اندك تسمه ميتواند فاصلهي ميان مرگ و زندگي را رقم بزند؛ بههميندليل، مهندسان با ابداع مكانيزمي درست در لحظهي تصادف كمربند ايمني را تاحدممكن دور بدن سرنشينان محكم ميكنند تا مطمئن شود از پرتاب افراد بهسمت جلو جلوگيري خواهد شد.
سيستم پيشكشنده معمولا با همكاري مكانيزمهاي قفلشونده عمل ميكند. درحالحاضر، انواع مختلفي از مكانيزمهاي پيشكشنده استفاده ميشوند. برخي از آنها، تنها سبب چرخش قرقره و برخي سبب چرخش كل مكانيزم جمعكننده ميشوند؛ بااينحال، هدف همهي آنها تنگتركردن تسمه به دور بدن سرنشين است.
اساس عملكرد سيستم پيشكشنده استفادهي موتورهاي الكتريكي سلونوييدي يا مواد پيروتكنيك براي ايجاد انفجار كنترلشده است. از ميان آنچه گفته شد، مواد پيروتكنيك بيشتر بهكار گرفته ميشود؛ بههميندليل، درادامه عملكرد آن را مطالعه ميكنيم. در اين سيستم، سيلندر و پيستون حاوي مواد پيروتكنيك ضمن اتصال با قرقرهي اصلي كمربند ايمني، ازطريق سيمهايي به واحد كنترلكنندهي كيسههاي هوا متصل ميشود. واحد كنترلي با تشخيص تصادف در كسري از ثانيه ابتدا با ارسال جريان الكتريكي به پيستون سيستم پيشكشنده سبب فعالشدن چاشني و انفجار كنترلشدهي مواد پيروتكنيك ميشود و پسازآن، سيگنال بازشدن كيسههاي هوا را صادر ميكند.
درون سيلندر سيستم پيشكشنده، مواد پيروتكنيك در محفظهاي ايمن منفجر و سبب حركت سريع و ناگهاني پيستون ميشود. روي پيستون دندانههايي وجود دارد كه با حركت پيستون با دندههاي روي قرقره درگير و سبب حركت آن و درنتيجه، محكمشدن تسمهي كمربند ميشوند. واضح است اين سيستم درست مانند كيسههاي هوا پس از فعالشدن بايد بهطوركلي تعويض شود تا دوباره استفادهشدني شود.
محدودكنندهي نيرو
در تصادفهاي شديد كه خودرو با سرعت بسيار زياد دچار سانحه ميشود، اينرسي سرنشينان بسيار زياد است؛ درنتيجه بايد نيروي بسيار بزرگي صرف غلبه بر اينرسي شود. اين ميزان از نيرو در اين شرايط به آن معني است كه كمربند ايمني براي حفظ سرنشين در جاي خود بايد نيروي زيادي به بدن او وارد كند. اندازهي اين نيرو بهقدري است كه در وضعيت خاص ميتواند خسارات جبرانناپذير جسمي و حتي مرگ در پي داشته باشد. بههميندليل، بعضي از كمربندهاي ايمني به مكانيزمهايي مجهز شدهاند كه ميتوانند حداكثر نيروي اعمالي كمربند ايمني را كنترل كنند تا ميزان آسيبهاي ناشي از بستن كمربند ايمني بهحداقل برسد.
ايدهي اصلي محدودكنندهي نيرو آزادكردن طول بسيار كوتاهي از تسمه هنگام تصادف شديد است. سادهترين راه دستيابي به اين هدف تاكردن و دوخت طول كوتاهي از تسمه بهشكلي است كه با اعمال ميزان نيرويي خاص، دوخت پاره و بخش تاشده از طول تسمه آزاد شود تا طول كمربند ايمني اندكي افزايش يابد و درنتيجه، ميزان حداكثر نيروي اعمالي به سرنشين كنترل شود.
در سيستمهاي پيشرفتهتر، ميلهاي پيچشي در مكانيزم جمعكننده تعبيه ميشود كه با اعمال ميزان معيني نيرو ميتواند دچار پيچش شود. اين ميله بهطورمستقيم از يكسو به مكانيزم قفلكنندهي كمربند ايمني و از سوي ديگر به قرقره متصل است. هنگام تصادف شديد كه اينرسي سرنشين نيروي زيادي به تسمهي كمربند و درنتيجه به قرقره وارد ميكند، ميلهي پيچشي اندكي دچار پيچش ميشود و مكانيزم قفلكننده را براي لحظهاي آزاد ميكند. در اين حالت، طول تسمه اندكي افزايش مييابد و حداكثر نيروي اعمالي به سرنشين كاهش مييابد.
هم انديشي ها