The Crumple Zone — Crushing Metal to Save Passengers
Ein Crashtest-Auto fährt gegen eine Betonbarriere, am Steuer ein gelber Dummy, gehalten von einem Dreipunktgurt. Vier Schieberegler stellen die Masse des Autos (800–2500 kg), seine Aufprallgeschwindigkeit (20–100 km/h), die Länge seiner Knautschzone — des Vorderteils, das sich falten soll — von einer fast starren Front mit 0,10 m bis 0,80 m und die Masse des Dummys (50–100 kg) ein. Die Szene öffnet pausiert kurz vor dem Aufprall. Drücken Sie auf Abspielen, und der Aufprall läuft einmal ab, wie mit einer Hochgeschwindigkeitskamera 40-mal langsamer als in Wirklichkeit gefilmt, bis Auto und Dummy in Ruhe sind; ziehen Sie die Zeitleiste zu jedem beliebigen Augenblick, und verschieben Sie einen Regler, um denselben Augenblick eines anderen Aufpralls zu sehen. Beobachten Sie, wie sich die blaue Front an der Barriere wie ein Akkordeon faltet, während die Fahrgastzelle unversehrt bleibt, wie der Gurt den Dummy hält, wenn sein Oberkörper nach vorn kippt, den rosa Pfeil der Kraft auf den Dummy und das Kraft-Zeit-Diagramm, das daneben entsteht.
So benutzt du diese Simulation
- Masse des Autos M: 800 bis 2500 kg, 1200 kg markiert. Ein schwereres Auto bringt mehr Impuls und mehr kinetische Energie an die Barriere, steht aber in derselben Zeit, deshalb ändert sich die Kraft auf den Dummy nicht.
- Aufprallgeschwindigkeit v: 20 bis 100 km/h, 50 km/h markiert; die Anzeige nennt sie auch in m/s.
- Länge der Knautschzone L: von 0,10 m (eine fast starre Front) bis 0,80 m, 0,60 m markiert; wie weit sich die Front vor der Fahrgastzelle falten kann.
- Masse des Dummys m: 50 bis 100 kg, 70 kg markiert.
- Abspielen/Pause, zurück zum Anfang, eine Zeitleiste, die sich zu jedem Augenblick ziehen lässt, und Zeitlupe ½×, ¼× und ⅛×, zusätzlich zur eigenen Zeitlupe der Szene (der Aufprall 40-mal langsamer als in Wirklichkeit, das Zurückrollen 10-mal).
- Ziehen Sie auf der Szene, um sich umzusehen.
Worauf du achten solltest
- Mit den voreingestellten 0,60 m steht das Auto nach 86 ms, und auf den Dummy wirken im Mittel 11,3 kN (16 g); schieben Sie auf 0,10 m, und es steht nach 14 ms mit 67,6 kN (99 g): sechsmal so viel Kraft für denselben Stopp.
- Die Bodenskala unter dem Vorderrad misst die Stauchung in jedem Augenblick: Die Fahrgastzelle bewegt sich noch 0,60 m weiter, nachdem die Stoßstange die Barriere berührt hat, und eine bernsteinfarbene Marke hält den tiefsten Punkt fest, wenn das Auto zurückfedert.
- Ziehen Sie die Zeitleiste langsam durch den Aufprall: Der Gurt hält das Becken des Dummys auf dem Sitz, sein Oberkörper kippt ein wenig nach vorn, und das Kraft-Zeit-Diagramm wird bis zu dem Augenblick gezeichnet, den Sie gerade ansehen.
- Die starre Front wirft das Auto mit 4,2 m/s zurück (e = 0,30); bei 0,60 m rollt es mit 1,5 m/s weg, bei 0,80 m nur mit 0,4 m/s. Der Energiebalken zeigt, wohin die 116 kJ gegangen sind: 114,6 kJ in das verbogene Metall bei 0,60 m, aber 10,4 kJ bleiben bei 0,10 m für den Rückprall.
- Ändern Sie die Masse des Autos: Die Kraft auf den Dummy bleibt gleich. Erhöhen Sie von 50 auf 100 km/h: Die Kraft wird viermal so groß, von 11,3 auf 45,1 kN. Ändern Sie die Masse des Dummys: Die Kraft folgt ihr, die Verzögerung bleibt bei 16 g.
- Im Kraft-Zeit-Diagramm ist die Fläche jedes Pulses die Impulsänderung des Dummys: Der hohe, schmale Puls der starren Front hat sogar etwas mehr Fläche, weil dieses Auto zusätzlich stärker zurückprallt.
Die Physik dahinter
Wie auch immer es gebaut ist, das Auto muss seine ganze Geschwindigkeit verlieren: 13,9 m/s bei 50 km/h. In diesem Modell wird die Front mit konstanter Kraft zusammengedrückt, das Auto bremst also gleichmäßig über die Knautschlänge L ab und steht nach t = 2L/v: nach 86 ms bei L = 0,60 m, nach 14 ms bei 0,10 m. Danach federt das gestauchte Metall ein wenig zurück und schiebt das Auto mit e × v von der Barriere weg, wobei die Stoßzahl e von 0,30 bei der starren Front auf 0,03 bei 0,80 m fällt; anschließend wird das Auto bis zum Stillstand gebremst. Der Impuls des Autos ändert sich um Δp = m v (1 + e), die mittlere Kraft ist F = Δp/Δt. Der angeschnallte Dummy bremst mit dem Auto ab, die Kraft auf ihn ist also seine eigene Masse mal dieselbe Verzögerung: 70 kg × 15,4 m/s ÷ 0,096 s = 11,3 kN (16 g) mit einer Knautschzone von 0,60 m gegenüber 67,6 kN (99 g) mit 0,10 m. Diese Kraft hängt überhaupt nicht von der Masse des Autos ab; sie wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit und proportional zur Masse des Insassen. Von den 116 kJ kinetischer Energie (½ × 1200 × 13,9²) kommt nur der Anteil e² im Rückprall zurück; der Rest — 114,6 kJ bei 0,60 m — wird durch bleibende Verformung, Schwingung und Erwärmung zu innerer Energie des verbogenen Metalls, dazu etwas Schall. Echte Crashpulse sind nicht flach: Das Modell verwendet ihren Mittelwert. Außerdem nimmt es an, dass der Gurt das Becken auf dem Sitz hält und den Oberkörper nur so weit kippen lässt, wie das Gurtband nachgibt.