The Crumple Zone — Crushing Metal to Save Passengers
Un coche de ensayo choca contra una barrera de hormigón con un maniquí amarillo al volante, sujeto por un cinturón de seguridad de tres puntos. Cuatro deslizadores fijan la masa del coche (800–2500 kg), su velocidad en el choque (20–100 km/h), la longitud de su zona de deformación —la parte delantera construida para plegarse—, desde un frontal casi rígido de 0,10 m hasta 0,80 m, y la masa del maniquí (50–100 kg). La escena se abre en pausa justo antes del impacto. Pulse reproducir y el choque ocurre una sola vez, filmado como con una cámara de alta velocidad 40 veces más lento que la realidad, hasta que el coche y el maniquí quedan en reposo; arrastre la línea de tiempo para ver cualquier instante y mueva un deslizador para ver el mismo instante de otro choque. Observe cómo el frontal azul se pliega en acordeón contra la barrera mientras el habitáculo queda intacto, cómo el cinturón sujeta al maniquí cuando su torso se inclina hacia delante, la flecha rosa de la fuerza sobre el maniquí y la gráfica de fuerza frente al tiempo que se dibuja a su lado.
Cómo usar esta simulación
- Masa del coche M: de 800 a 2500 kg, con 1200 kg marcado. Un coche más pesado lleva más cantidad de movimiento y más energía cinética a la barrera, pero se detiene en el mismo tiempo, así que la fuerza sobre el maniquí no cambia.
- Velocidad en el choque v: de 20 a 100 km/h, con 50 km/h marcado; la lectura la da también en m/s.
- Longitud de la zona de deformación L: de 0,10 m (un frontal casi rígido) a 0,80 m, con 0,60 m marcado; cuánto puede plegarse el frontal antes del habitáculo.
- Masa del maniquí m: de 50 a 100 kg, con 70 kg marcado.
- Reproducir/pausar, volver al inicio, una línea de tiempo que puede arrastrar a cualquier instante y cámara lenta ½×, ¼× y ⅛×, además de la cámara lenta propia de la escena (el choque 40× más lento que la realidad, el retroceso 10×).
- Arrastre sobre la escena para mirar alrededor.
Qué observar
- Con los 0,60 m por defecto el coche se detiene en 86 ms y el maniquí soporta una fuerza media de 11,3 kN (16 g); deslice hasta 0,10 m y se detiene en 14 ms con 67,6 kN (99 g): seis veces la fuerza para la misma parada.
- La regla del suelo bajo la rueda delantera mide el aplastamiento en cada instante: el habitáculo sigue avanzando 0,60 m después de que el parachoques toca la barrera, y una marca ámbar guarda el punto más profundo cuando el coche rebota.
- Arrastre despacio la línea de tiempo a través del impacto: el cinturón mantiene la cadera del maniquí sobre el asiento, su torso se inclina un poco hacia delante y la gráfica de fuerza frente al tiempo se dibuja hasta el instante que está mirando.
- El frontal rígido hace rebotar el coche a 4,2 m/s (e = 0,30); con 0,60 m sale a 1,5 m/s y con 0,80 m a solo 0,4 m/s. La barra de energía muestra adónde fueron los 116 kJ: 114,6 kJ al metal doblado con 0,60 m, pero 10,4 kJ quedan en el rebote con 0,10 m.
- Cambie la masa del coche: la fuerza sobre el maniquí no varía. Suba la velocidad de 50 a 100 km/h: la fuerza se multiplica por cuatro, de 11,3 a 45,1 kN. Cambie la masa del maniquí: la fuerza la sigue, mientras la desaceleración se queda en 16 g.
- En la gráfica de fuerza frente al tiempo, el área de cada pulso es la variación de la cantidad de movimiento del maniquí: el pulso alto y estrecho del frontal rígido tiene incluso algo más de área, porque ese coche además rebota con más fuerza.
La física detrás
Sea cual sea su diseño, el coche tiene que perder toda su velocidad: 13,9 m/s a 50 km/h. En este modelo el frontal se aplasta con una fuerza constante, así que el coche frena uniformemente a lo largo de la longitud de deformación L y se detiene tras t = 2L/v: 86 ms con L = 0,60 m, 14 ms con 0,10 m. Después el metal aplastado se recupera un poco y separa el coche de la barrera a e × v, con el coeficiente de restitución e bajando de 0,30 en el frontal rígido a 0,03 con 0,80 m; luego el coche frena hasta pararse. La cantidad de movimiento del coche cambia en Δp = m v (1 + e) y la fuerza media es F = Δp/Δt. El maniquí, con el cinturón puesto, frena junto con el coche, así que la fuerza sobre él es su propia masa por la misma desaceleración: 70 kg × 15,4 m/s ÷ 0,096 s = 11,3 kN (16 g) con una zona de deformación de 0,60 m, frente a 67,6 kN (99 g) con 0,10 m. Esa fuerza no depende en absoluto de la masa del coche; crece con el cuadrado de la velocidad y en proporción a la masa del ocupante. De los 116 kJ de energía cinética (½ × 1200 × 13,9²) solo la fracción e² vuelve en el rebote; el resto —114,6 kJ con 0,60 m— pasa a energía interna del metal doblado por deformación permanente, vibración y calentamiento, más un poco de sonido. Los pulsos de un choque real no son planos: el modelo usa su valor medio. También supone que el cinturón mantiene la cadera sobre el asiento y deja que el torso se incline solo lo que cede la cinta.