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Model 3力=质量x加速度(F=m×a)

Model 3力=质量x加速度(F=m×a)

摘要来自:《电车比油车更安全?!》

【易车摘要频道】下列精选内容摘自于《电车比油车更安全?!》的片段:

上过初中的朋友应该知道,运动的物体都具有能量,这种能量被称为动能。在物理定律中,动能=0.5x质量x速度的平方(Ek=0.5×M×V ²)。根据动能公式可知,在速度不变的情况下,更重的物体必然具有更大的动能。因此在车身安全设计中,设计师们必须要先计算撞击的能量,然后再对车身材料和结构进行优化。而撞击能量=动能,也就是说,更重的车具有更大的撞击能量。

关注汽车安全性能的朋友都知道,安全评价机构会定期对新车进行碰撞测试,其中比较出名的就是IIHS/中保研。在IIHS/中保研的正面碰撞测试中,最难的项目就是正面25%偏置碰撞,能在这个项目中拿到G的评价,说明车头的吸能效果和车身的强度都做得很好。

上:E-NCAP / 下:IIHS

与其它安全评价机构测试方式不同的是,IIHS/中保研正面碰撞的对象是“刚性壁障”,而E-NCAP则是“变形壁障”。两者的不同之处在于,IIHS/中保研的刚性壁障强度极高,所以碰撞时壁障不会产生变形,也不会吸收车身的撞击能量;而E-NCAP的壁障通过变形,吸收了一部分汽车的撞击能量,车身需要吸收的撞击能量自然更少一些。

而根据“牛顿第三定律”可知,力是相互作用产生的,并且作用力和反作用力大小相等、方向相反。那么车辆撞击壁障的时候,壁障会对车身施加大小相等、方向相反的反作用力。由于壁障几乎不能通过形变吸能,所以这股反作用力就会全部施加到车身上。

由于在碰撞测试中测试速度是恒定的,根据动能=0.5x质量x速度的平方(Ek=0.5×M×V ²)的公式可知,刚性壁障施加给汽车的反作用力大小只由【汽车重量】决定。因此可以得出一个结论,那就是汽车越重刚性壁障施加给车身的反作用力越大。

因为电车重量大、动能大,再加上碰撞中施加给车身的反作用力也更大,所以电车在正面碰撞时需要特意加强车头的吸能区。同时,为了防止车身碰撞时变形殃及电池,电车的车身整体强度也会做得特别高。

在车身的设计中,吸能区相当于一个可以压缩、但不会回弹的部件,因此吸能区可以降低碰撞速度,从而减少碰撞事故对乘员造成的伤害。另外,根据车身重量的不同,吸能区的软硬程度也是需要进行调整的。一般来说,重量越大的车吸能区要做得比较硬,而重量越小的车吸能区应该做得比较软,这样才能起到更好的吸能效果。这意味着,电动车的车身、车头都会做得比燃油车“更硬”。

关于重量大小对汽车安全性的影响,其实IIHS早就做过试验。2019年,IIHS将获得G评价的中型、紧凑型、小型车进行了两组对撞测试。第一组为2015款丰田亚洲龙对撞2018款 Yaris iA;第二组为2016款起亚索兰托对撞2018款起亚K3。

左:Yaris iA / 右:亚洲龙

首先是中型轿车丰田亚洲龙和小型轿车Yaris iA进行正面偏置碰撞,从测试结果可以看到,Yaris iA的车头一侧吸能区完全溃缩,甚至连A柱也发生了弯折。而亚洲龙车头吸能区溃缩程度较小,A柱也保持完整。

左:K3 / 右:索兰托

接下来是中型SUV起亚索兰托与紧凑型轿车起亚K3进行碰撞,K3虽然A柱没有明显弯折,但车头一侧基本完全溃缩,并且前轮与车门之间的前立柱向车厢挤压,已经危及到驾驶员的安全。相比之下,索兰托状况就非常好,它的车头根本没有完全溃缩,所以A柱完好无损。

从两组对撞测试的结果可以看到,安全评级只有在尺寸、重量相当的车型上才有可比性。比如,2018款K3曾获得TOP SAFETY PICK+ 顶级安全评价,但与重量、尺寸更大的索兰托对撞时,K3根本没有招架之力。

其实从物理力学角度来解析,这样的结果也是必然的。首先根据牛顿第三定律可知,作用力和反作用力的大小相等、方向相反。也就是说,重量大的车跟重量小的车发生碰撞时,两者的反作用力其实是一样大的。这时由牛顿第二定律可知,力=质量x加速度(F=m×a)。在两车对撞时,大小相同的反作用力同时施加在不同重量的车上,那么质量就跟加速度成反比了,也就是加速度=力÷质量(a=F÷m)。

于是,更重的大车与更轻的小车发生碰撞时,小车的车速会迅速降低,甚至可能往后倒退,而大车的车速只是小幅降低。如上图所示,重量1吨的轿车和重量3吨的卡车,两者都以20m/s的车速对撞。在发生碰撞后,卡车的速度从20m/s降为10m/s,而轿车的速度从20m/s降至-10m/s,发生了倒退,这就是相同的反作用力施加到不同重量的车上产生的不同效果。

前面提过,目前主流电动车的重量普遍大于同级别燃油车,有的甚至比油车重三分之一。所以两者发生碰撞时,重量轻的油车必然会产生更多的加速度变化,乘客更容易受伤,而更重的电动车加速度变化更小,乘客承受的伤害更低。

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