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Da "Low Speed Accidents
correlating vehicle impact speed using collision damage analysis
and expected injuries" di James O. Harris
Introduzione
Entro certi limiti l’analisi delle deformazioni
riportate da un veicolo a seguito di un incidente stradale, può
essere utile per determinare la velocità della collisione.
L’analisi dei danni si basa sui dati dei crash test
specifici per il veicolo considerato e può essere molto accurata
se il veicolo incidentato impatta contro un oggetto fisso, come
la spalla di un ponte, un palo od un albero, poiché in questi
casi la maggior parte dell’energia d'urto è conservata
nelle deformazioni.
Si dovrebbe considerare anche l’energia di rimbalzo del
veicolo dall’oggetto fisso, le vibrazioni ed il calore
generate dalla collisione, ma queste energie sono minori, dunque
trascurabili.
In un incidente fra due veicoli, una considerevole parte di
energia è conservata non solo nelle deformazioni delle strutture
dei due veicoli, ma anche nei movimenti che i veicoli stessi
compiono dopo l'impatto. In questo caso l'energia non è
trascurabile, potendo anche eccedere l’energia conservata
nelle deformazioni.
Dunque, in caso di scontro tra due veicoli, la velocità di
collisione può risultare minore di quella reale, se viene
calcolata soltanto in base all'entità delle deformazioni, e può
essere anche significativamente minore.
Lo Scenario
Consideriamo il caso seguente: una Toyota Corolla si
ferma per consentire l’attraversamento di un pedone quando
viene colpita nella parte posteriore da una Chevrolet. Il peso
dei veicoli è simile. Entrambi i conducenti dicono di avere
fatto uso delle cinture di sicurezza.
Il disegno allegato al rapporto di Polizia mostra i due veicoli
in contatto. L’Investigatore non rileva con misure né con
fotografie la scena. Non ci sono tracce di frenata. Non è
indicato il punto d’impatto, né quello in cui i due veicoli
si sono fermati. Entrambi i veicoli sono stati rimossi prima
dell’intervento della Polizia. Nel rapporto di Polizia i
danni vengono stimati in meno di 500 Dollari per ogni veicolo.
Le fotografie della Corolla mostrano un danno limitato nella
parte posteriore. Non ci sono fotografie della Chevrolet.
Il conducente della Corolla reclama di avere riportato lesioni.
Egli è stato trasportato presso un Ospedale da
un’autoambulanza, trattato e rilasciato lo stesso giorno.
La consulenza della difesa.
L’esperto della difesa dice: "Ho ispezionato
le fotografie dei veicoli per stimare il danno alla Corolla.
Attraverso queste informazioni, tenuto conto delle
caratteristiche dei veicoli e delle leggi della fisica, ho
calcolato che la Chevrolet procedeva ad una velocità dell’ordine
di 17 Km/h nel momento in cui è entrata in contatto con la
Corolla."
Il resto della relazione si basa su questi valori per calcolare
la variazione di velocità (DV), le accelerazioni
e le forze risentite dagli occupanti dei due veicoli come
prodotte dalla collisione. Si stimano in dettaglio le forze
applicate alle varie parti del corpo del conducente della Corolla
e si conclude che quel livello di forze non può avere provocato
le lamentate lesioni.
Analisi della consulenza della
difesa.
L’esperto della difesa ha informazioni molto
limitate e di fatto possiede soltanto le fotografie dei danni
della Corolla. L’analisi dei danni per stimare la velocità
d’impatto è un metodo possibile, ma solo in certe
condizioni. L’analisi dei danni si basa sulla formula di
"Conservazione dell’Energia". Questo principio
della fisica dice che tutta l’energia della collisione è
conservata. La formula di base è: Energia totale
all’impatto = Energia totale dopo l’impatto + Energia conservata nelle deformazioni dei veicoli.
Il principio non dice che tutta l’Energia è conservata
nelle deformazioni. L’Energia non conservata nelle
deformazioni è trasferita nei movimenti post urto dei veicoli, o
dissipata sottoforma di calore e vibrazioni. Quest’ultima
non può essere quantificata.
Una modo ulteriore per descrivere la formula è il seguente:
Energia del 1° veicolo all’impatto + Energia del 2°
veicolo all’impatto = Energia del 1° veicolo dopo
l’impatto + Energia del 2° veicolo dopo l’impatto +
Energia conservata nelle deformazioni del 1° veicolo + Energia
conservata nelle deformazioni del 2° veicolo.
Ogni movimento richiede energia, dunque l'energia conservata
negli spostamenti post urto dei veicoli può essere
considerevole. La formula più comunemente usata dai Tecnici
Ricostruttori per risalire alla velocità sulla base dello spazio
di frenata, è una formula che deriva dal principio di
conservazione dell'energia.
La quantificazione dell’Energia necessaria a provocare le
deformazioni è basata sui tests condotti con veicoli simili. I
Crash tests sono ordinariamente eseguiti a velocità superiori a
48 Km/h ed i valori per le basse velocità sono estrapolati dai valori ottenuti
in questi crash test. Ma alle basse velocità c’è il fattore
"restituzione" che deve essere considerato. Alle alte
velocità la restituzione può essere ignorata, siccome il valore
è molto piccolo. Negli impatti a bassa velocità, in conseguenza
dei quali non si producono danni significativi, questo valore non
può essere ignorato.
Il numero di crash test veicolo contro veicolo a bassa velocità
è molto limitato. C’è un largo numero di variabili che non
sono completamente comprese. Nei crash tests eseguiti dal U.S. Government, si utilizzano barriere fisse che non si deformano. I
risultati di questi crash test non sono utilizzabili nelle
collisioni a bassa velocità.
E' stato osservato che si incorre in errore se si estrapolano i
dati standard dei crash test per l’analisi dei danni
provocati da collisioni a velocità limitate. I programmi per
computer che utilizzano la formula di conservazione
dell’Energia, che si basano sui dati dei crash test,
avvisano l’utente che i risultati del programma possono non
essere attendibili nelle collisioni a bassa velocità.
I tests eseguiti dai costruttori di autovetture, dai gruppi
assicurativi (I.I.H.S, Insurance Institute for Highway Safety), e
dall'Agenzia Governativa Statunitense per la sicurezza della
circolazione (N.H.T.S.A., National Highway Traffic Safety
Administration and Transport Canada), sono ordinariamente
eseguiti alla velocità di 48 o 56 Km/h contro una barriera
rigida. Lo scopo primario di questi tests è di valutare
l’efficacia dei sistemi di protezione degli occupanti.
I crash tests eseguiti dal NHTSA sono basati sul Federal Motor
Vehicle Safety Standard 208 (F.M.V.S.S. No. 208). Questo standard
fornisce le massime misure di carico ammesse sulle regioni dei
manichini, come ad esempio l'Hybrid III. Nel 1995, l'NHTSA ha
iniziato una serie di test nell’ambito del New Car
Assessment Program (N.C.A.P). I tests sono eseguiti a velocità
più alta di quella stabilita dal F.M.V.S.S. 208, con un
incremento di circa il 36% di energia.
Questi tests sono eseguiti con l’obiettivo di assicurare una
migliore protezione agli occupanti. Ma essendo eseguiti a
velocità comprese fra 48 e 56 Km/h, non producono dati utili a comprendere
il comportamento dei veicoli nelle condizioni di collisione reale
a bassa velocità, non essendoci diretta correlazione tra le performance di un
veicolo che urta alla velocità di 48 Km/h ed oltre, e le performance
dello stesso veicolo coinvolto in una collisione a bassa velocità. Si pensi, ad esempio, alla
rigidità della struttura: negli urti ad alta velocità la
struttura maggiormente rigida costituisce un elemento di
protezione per gli occupanti, mentre nelle collisioni a bassa
velocità incrementa il rischio di lesioni.
La tradizionale metodologia di ricostruzione degli incidenti
stradali, è concentrata sulle collisioni ad alta velocità,
nelle quali di solito gli occupanti riportano serie lesioni ed i
veicoli intensi danni. I software utilizzati dai Tecnici
Ricostruttori, come il "CRASH 3" sviluppato dal NHTSA,
non sono capaci di analizzare le forze di collisione alle basse
velocità.
Sebbene dalle collisioni a bassa velocità raramente derivino
immediatamente gravi lesioni, il numero di questi incidenti hanno
un significativo impatto socioeconomico.
Il termine collisione a bassa velocità è specifico per velocità
relative tra due oggetti nel momento del primo contatto.
Massa, Energia, Quantità di Moto ed
Accelerazione
Le leggi di Newton
1. Ogni corpo tende a mantenere il suo
stato di quiete o di moto;
Questa legge descrive l'inerzia. Stando seduti su un'autovettura
sottoposta ad improvvisa frenata, ci si accorgerà della tendenza
del corpo a continuare il movimento in avanti.
2. L'accelerazione di ogni corpo è
direttamente proporzionale alla forza che agisce su di esso,
mentre è inversamente proporzionale alla massa del corpo stesso.
Ci sono numerosi termini che devono essere definiti; inversamente
proporzionale, direttamente proporzionale, ed accelerazione.
L'accelerazione è la variazione di velocità nel tempo.
L'accelerazione è positiva quando la velocità aumenta, negativa
quando la velocità diminuisce. Ipotizziamo di avere un oggetto
"A", che è direttamente proporzionale ad un oggetto
"B". Ogni incremento in "B" risulta in un
uguale incremento in "A". La prima parte della seconda
Legge di Newton dice che "l'accelerazione di ogni corpo è
direttamente proporzionale alla forza che agisce su di
esso." Se la forza che agisce sul corpo è incrementata,
l'accelerazione deve anch'essa aumentare, e se l'accelerazione
aumenta significa che la forza è aumentata. Se i due oggetti
sono inversamente proporzionali, per ogni riduzione in
"A" deve risultare una uguale riduzione in
"B".
3. Per ogni forza esercitata da una
massa su un'altra massa, c'è un forza uguale ma opposta che agisce sulla prima massa ad opera della seconda massa.
Massa è la quantità di materia contenuta in un oggetto. E'
differente dal peso. Il peso è la forza di attrazione che la
terra esercita su un oggetto di una data massa. Una pietra
pesante sulla terra 20 Kg, su un altro pianeta avrà un peso
diverso, ma la massa è sempre la stessa. Per la terza legge di
Newton, se una pietra di 20 Kg è posta sopra un tavolo, il
tavolo risponderà con una forza verso l'alto uguale ed opposta
al peso della pietra.
Energia e Quantità di Moto.
L’Energia cinetica è la capacità di un corpo di
eseguire un Lavoro in virtù della sua velocità, ed è posseduta
da ogni corpo in movimento. Il Lavoro meccanico è il prodotto
della forza che agisce su una distanza. Se un oggetto possiede
una certa quantità di Energia cinetica, un Lavoro può essere
fatto con quella Energia. Muovere un veicolo fermo richiede
Energia, e fermare un veicolo in movimento richiede Energia.
La Quantità di Moto è un concetto di fisica che non può essere
confuso con l’Energia: data una certa forza, se quella forza
agisce attraverso una distanza, si ha Energia; ma data la stessa
forza che agisce in un certo periodo di tempo, si ha Quantità di
Moto.
Conservazione della Quantità di
Moto
Quando due oggetti collidono fra loro, la QdM guadagnata
da uno è uguale alla QdM persa dall’altro. L’impulso
della forza è calcolato moltiplicando la forza per il tempo in
cui essa agisce. L’impulso non dipende soltanto dalla
dimensione della forza, ma anche dalla lunghezza del tempo in cui
agisce.
Nella collisione fra due veicoli, non è l’Energia della
collisione ad agire sugli occupanti, ma l’impulso.
L’Energia della collisione è conservata soprattutto nelle
deformazioni; la QdM è conservata dal movimento dei veicoli
attraverso l’impulso.
Quantificare l’Energia di collisione è complesso se non
impossibile, a causa di variabili indeterminabili che sono
proprie delle singole strutture dei veicoli. Nei casi migliori si
ha un’incertezza del 20 - 30%.
I paraurti delle automobili sono progettati per proteggere il
veicolo, senza riguardo all’accelerazione che ne può
derivare al veicolo stesso ed ai passeggeri.
Per evitare danni alla carrozzeria, un paraurti deve essere
capace di contenere l’Energia d’impatto entro certi
valori. I paraurti immagazzinano le forze iniziali d’impatto
attraverso un sistema a molle, a gas o idraulico. Dopo
l’iniziale compressione, c’è un significativo
rimbalzo, chiaramente visibile in ogni crash test, nei quali i
veicoli testati dopo aver colpito la barriera arretrano e si
fermano ad una certa distanza da essa.
Persino senza danni al veicolo una significativa QdM può essere
trasferita. E’ la QdM non l’Energia che provoca
lesioni. Se il veicolo colpito non si muove, gli occupanti non si
muovono e le lesioni non sono possibili persino laddove i danni
siano significativi. L’opposto è anche vero, ci può essere
movimento del veicolo, e quindi movimento degli occupanti che
può risultare in lesioni anche senza danni ai veicoli.
I crash test non replicano tutte le condizioni degli impatti
reali fra veicoli. Nelle prove d'urto i veicoli impattano contro
la barriera perfettamente allineati. La barriera è larga ed
assorbe energia. Nelle collisioni reali veicolo contro veicolo,
generalmente gli urti sono eccentrici, spesso coinvolgono piccole
superfici; gli occupanti non sono seduti in posizione perfetta,
come sono invece posizionati i manichini nei tests. Dunque non si
possono comparare semplicemente i risultati dei crash test alle
collisioni reali, ci sono molte variabili che non possono essere
correlate fra le due collisioni.
Deformazioni meccaniche e
predizione di lesioni
Non è possibile correlare i danni riportati da
un'autovettura con le forze risentite dai suoi occupanti, se si
basa la valutazione solo sui risultati dei crash test, che in
questo campo sono limitati. Inoltre, i risultati di un crash test
di un'autovettura contro una barriera rigida possono consentire
di quantificare l'energia conservata nelle deformazioni, ma non
quella conservata nei movimenti post urto dei veicoli, perciò
non possono essere comparati con una collisione reale fra due
autovetture entrambe in movimento.
L'energia conservata nei movimenti dei veicoli non è disponibile
a provocare deformazioni alle loro strutture. L'esame di
un'autovettura scontratasi contro un'altra autovettura in
movimento, non rivelerà quindi le reali forze d'impatto.
Senza specifiche informazioni sull'intensità delle forze
risentite dagli occupanti, non è possibile stabilire se essi
possono o non possono avere riportato lesioni nella collisione.
Informazioni ragionevolmente accurate relative alle traiettorie
di pre collisione, alle posizioni all'urto, alle traiettorie di
post collisione ed alla posizione in quiete di ogni veicolo, non
sono normalmente disponibili negli incidenti con lesioni non
gravi o mortali.
Un rapporto della Volvo a conclusione di un approfondito studio
inerente alle lesioni del collo nei tamponamenti, presentato nel
1990 alla conferenza IRCOBI, dice: "...i risultati di questi studi
indicano che in un impatto l'impulso ha maggiore influenza sulla
severità delle lesioni del collo delle quantità di energia
trasferita. E' ragionevole ritenere che durante la prima parte
dell'accelerazione, un impatto rigido causerà grande movimento
della regione cervicale/spinale prima che la testa colpisca il poggiatesta".
Figura 1: relazione fra un
impatto rigido, o di breve durata, rispetto ad un impatto non
rigido, o di lunga durata. Entrambi gli impatti sono della stessa
dimensione ma l'impatto più rigido risulta superare la soglia di
tolleranza umana alle lesioni.
I ricercatori della Volvo hanno
seguito per un periodo di circa 10 anni i loro veicoli coinvolti
nei tamponamenti e gli effetti derivati agli occupanti. Il
rapporto a conclusione dello studio dice che il rischio di
lesioni è pressoché costante nonostante il grado di
deformazione dei veicoli. L'intensità delle deformazioni non è
un parametro adatto per predire il rischio di lesioni.
Figura 2 - Rischio lesioni
del collo comparato con la profondità delle deformazioni dei
veicoli (Volvo Car Corporation Safety Report, 16th ESV
Conference, Paper No. 98-S7-O-08).
I risultati di queste ricerche sono
analoghi a quelli di altri studi, all'esito dei quali è stato
osservato che gli occupanti dei veicoli hanno riportato lesioni
al collo, persino a seguito di impatti a velocità molto bassa.
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