Как работают подушки безопасности?

На протяжении многих лет надёжный ремень безопасности оставался единственной формой пассивной безопасности в наших автомобилях. Были дебаты по поводу их безопасности, особенно в отношении детей, но с течением времени бóльшая часть всех стран приняла обязательным условием выезда на дорогу пристёгнутые ремни безопасности. Статистика показывает, что использование ремней безопасности спасло тысячи жизней, которые могли быть потеряны в случае столкновения.

Но также как и ремни безопасности, концепция подушек безопасности - мягкая опора, чтобы облегчить для человека последствия аварии - была мыслью инженеров в течение многих лет. Первый патент на надувную аварийную подушку безопасности для самолетов был подан во ещё время Второй мировой войны. А в 1980 году первая коммерческая подушка безопасности появились и в автомобилях.

На сегодняшний день подавляющее большинство не самых бюджетных легковых автомобилей снабжены подушками безопасности как минимум для водителя и переднего пассажира. Статистика показывает, что подушки безопасности снижают риск смерти при прямом лобовом столкновении примерно на 30 процентов. Всё чаще боковыми подушками оборудуются сиденья и/или двери. Сегодня некоторые автомобили выходят далеко за рамки имеющегося стандарта двойных подушек безопасности, располагая шестью или даже восемью подушками безопасности для водителя и всех пассажиров. Но они всё ещё остаются предметом серьёзных споров и исследований правительства и промышленности.

В этой статье мы узнаем о науке в закромах этих устройств, о том, как подушка безопасности работает, когда срабатывает, каковы её проблемы, и насколько технология продвинулась на сегодняшний день.

Законы движения

Прежде чем рассмотреть специфику, давайте рассмотрим наши знания о законах движения. Во-первых, мы знаем, что движущиеся объекты имеют импульс (произведение массы на скорость объекта). Если некоторая сила воздействует на объект и затем перестаёт воздействовать, то объект всё равно будет продолжать двигаться, лишь снижая свою скорость -  это называют инерцией. Автомобиль состоит из нескольких объектов, в том числе самого транспортного средства, незакреплённых предметов в машине и, конечно же, водителя и пассажиров. Если эти объекты не прикреплены к кузову авто, то они будут продолжать движение на любой скорости, на которой движется автомобиль, даже если автомобиль остановлен столкновением.

Остановка импульса объекта требует силы, действующей в течение короткого периода времени. При ДТП усилие, необходимое, чтобы остановить объект, очень большое, потому что импульс автомобиля изменился мгновенно, а пассажиров - нет, и тут не так много времени для работы. Цель любой дополнительной удерживающей системы - помочь остановить пассажира, при этом, причинив максимально незначительный ущерб ему или ей, как это возможно.

Подушка призвана замедлить скорость пассажира до нуля практически без его повреждений. При этом, рамки, в которых она должна работать, огромны. Подушка безопасности при своей работе занимает всё пространство между пассажиром и рулевым колесом или приборной панели за доли секунды.

Цель подушки безопасности - замедлить движение вперёд пассажира как можно более равномерно за доли секунды. Подушка состоит из трёх частей, каждая из которых помогает совершить этот подвиг:

• Сумка сама по себе состоит из тонкой нейлоновой ткани, которая складывается в рулевом колесе или приборной панели, или, если речь о боковой подушке - в двери.
• Датчик представляет собой устройство, сообщающее сумке, когда необходимо раздуться. Раздув происходит при столкновении при силе, равной как минимум столкновению с кирпичной стеной на скорости 16-24 км в час. Механический переключатель поворачивается, закрывая электрический контакт. Датчики, между тем, получают информацию от акселерометра, встроенного в микрочип.
• Система надува служит для быстрого закачивания в подушку газа за счёт реакции азида натрия (NaN3) с нитратом калия (KNO3) для получения газообразного азота. Взрыв азота раздувает подушки безопасности практически мгновенно.

Ранние попытки адаптировать подушку безопасности для использования в автомобилях столкнулись с непомерно высокими ценами и техническими препятствиями, связанными с хранением и выпуском сжатого газа. Исследователи задавались вопросами:

• Откуда взять необходимое достаточное место в машине для газового баллона?
• Если газ будет оставаться долго в своём спокойном состоянии под высоким давлением, то это ведь довольно опасно?
• Как сумку можно было бы расширить быстро и надёжно на различных рабочих температурах и без оглушительного взрыва?

Все вопросы учёных отпали, когда на помощь пришло твёрдое топливо в 1970 году. Твёрдое топливо горит очень быстро, создавая большой объём газа и издаёт при этом меньше шума.

Кроме прочего, воздушная подушка смазывается порошкообразными веществами регулярно - часто кукурузным крахмалом или тальком, которые позволяют держать сумки гибкими и смазывать их, пока они находятся "в хранении".