The Crumple Zone — Crushing Metal to Save Passengers
Une voiture d'essai fonce sur une barrière en béton, avec au volant un mannequin jaune retenu par une ceinture de sécurité trois points. Quatre curseurs règlent la masse de la voiture (800–2500 kg), sa vitesse au moment du choc (20–100 km/h), la longueur de sa zone de déformation — la partie avant conçue pour se replier —, d'un avant presque rigide de 0,10 m jusqu'à 0,80 m, et la masse du mannequin (50–100 kg). La scène s'ouvre en pause juste avant l'impact. Appuyez sur lecture et le choc se déroule une seule fois, filmé comme par une caméra rapide 40 fois plus lentement que dans la réalité, jusqu'à ce que la voiture et le mannequin soient au repos ; faites glisser la ligne de temps pour voir n'importe quel instant, et déplacez un curseur pour voir le même instant d'un autre choc. Regardez l'avant bleu se replier en accordéon contre la barrière pendant que l'habitacle reste intact, la ceinture retenir le mannequin quand son buste bascule vers l'avant, la flèche rose de la force sur le mannequin et le graphique force–temps qui se trace à côté.
Comment utiliser cette simulation
- Masse de la voiture M : de 800 à 2500 kg, 1200 kg repéré. Une voiture plus lourde apporte plus de quantité de mouvement et d'énergie cinétique à la barrière, mais elle s'arrête dans le même temps : la force sur le mannequin ne change pas.
- Vitesse au moment du choc v : de 20 à 100 km/h, 50 km/h repéré ; l'affichage la donne aussi en m/s.
- Longueur de la zone de déformation L : de 0,10 m (un avant presque rigide) à 0,80 m, 0,60 m repéré ; la distance sur laquelle l'avant peut se replier avant l'habitacle.
- Masse du mannequin m : de 50 à 100 kg, 70 kg repéré.
- Lecture/pause, retour au début, une ligne de temps à faire glisser jusqu'à n'importe quel instant, et ralenti ½×, ¼× et ⅛×, en plus du ralenti propre à la scène (le choc 40× plus lent que la réalité, le recul 10×).
- Faites glisser sur la scène pour regarder autour.
Ce qu’il faut observer
- Avec les 0,60 m par défaut, la voiture s'arrête en 86 ms et le mannequin subit une force moyenne de 11,3 kN (16 g) ; passez à 0,10 m et elle s'arrête en 14 ms avec 67,6 kN (99 g) : six fois la force pour le même arrêt.
- La règle au sol sous la roue avant mesure l'écrasement à chaque instant : l'habitacle avance encore de 0,60 m après que le pare-chocs a touché la barrière, et un repère ambré garde le point le plus profond quand la voiture rebondit.
- Faites glisser lentement la ligne de temps à travers l'impact : la ceinture garde le bassin du mannequin sur le siège, son buste bascule un peu vers l'avant, et le graphique force–temps se trace jusqu'à l'instant que vous regardez.
- L'avant rigide fait rebondir la voiture à 4,2 m/s (e = 0,30) ; à 0,60 m elle repart à 1,5 m/s, et à 0,80 m à seulement 0,4 m/s. La barre d'énergie montre où sont passés les 116 kJ : 114,6 kJ dans le métal tordu à 0,60 m, mais 10,4 kJ restent pour le rebond à 0,10 m.
- Changez la masse de la voiture : la force sur le mannequin reste la même. Passez de 50 à 100 km/h : la force est multipliée par quatre, de 11,3 à 45,1 kN. Changez la masse du mannequin : la force la suit, tandis que la décélération reste de 16 g.
- Sur le graphique force–temps, l'aire de chaque impulsion est la variation de quantité de mouvement du mannequin : l'impulsion haute et étroite de l'avant rigide a même un peu plus d'aire, car cette voiture rebondit aussi plus fort.
La physique derrière
Quelle que soit sa conception, la voiture doit perdre toute sa vitesse : 13,9 m/s à 50 km/h. Dans ce modèle, l'avant s'écrase sous une force constante, si bien que la voiture ralentit uniformément sur la longueur de déformation L et s'arrête au bout de t = 2L/v : 86 ms pour L = 0,60 m, 14 ms pour 0,10 m. Le métal écrasé se détend ensuite un peu et repousse la voiture loin de la barrière à e × v, le coefficient de restitution e passant de 0,30 pour l'avant rigide à 0,03 pour 0,80 m ; ensuite la voiture est freinée jusqu'à l'arrêt. La quantité de mouvement de la voiture varie de Δp = m v (1 + e) et la force moyenne vaut F = Δp/Δt. Le mannequin ceinturé ralentit avec la voiture : la force qu'il subit est donc sa propre masse multipliée par la même décélération, 70 kg × 15,4 m/s ÷ 0,096 s = 11,3 kN (16 g) avec une zone de déformation de 0,60 m, contre 67,6 kN (99 g) avec 0,10 m. Cette force ne dépend pas du tout de la masse de la voiture ; elle croît comme le carré de la vitesse et proportionnellement à la masse de l'occupant. Des 116 kJ d'énergie cinétique (½ × 1200 × 13,9²), seule la fraction e² revient dans le rebond ; le reste — 114,6 kJ à 0,60 m — devient de l'énergie interne du métal tordu par déformation permanente, vibration et échauffement, avec un peu de son. Les impulsions d'un vrai choc ne sont pas plates : le modèle en utilise la moyenne. Il suppose aussi que la ceinture maintient le bassin sur le siège et ne laisse le buste basculer que de ce que la sangle cède.