Биомеханика изучает механику и условия ДТП, механизмы травмирования человека при ДТП с учетом особенностей кинематики человека (биокинематики) и динамики человека (биодинамики) при воздействии возникающих при ДТП перегрузок.
За базовые характеристики при поведении биомеханических исследований ДТП принимаются: антропометрические характеристики человека; положение человека в автомобиле; геометрические параметры салона автомобиля.
При изучении перемещений человека в автомобиле при ДТП тело человека с учетом требований общей биомеханики рассматривается как биомеханическая система, состоящая из биокинематических звеньев с наложенными связями, определяющими характеристики движений. Биокинематическая цепь (базисная модель) тела состоит из следующих основных подвижно соединенных твердых звеньев: головы, туловища, бедра голени. Перемещения человека изучаются относительно недеформируемой части автомобиля и поверхности дороги. В качестве базовых точек, характеризующих положение человека в автомобиле, принимаются точки Н и R (точка, соответствующая положению точки Н и имеющая координаты относительно конструкции автотранспортного средства).
При изучении кинематики и динамики человека в автомобиле в условиях ДТП с учетом современных требований к техническому оснащению биомеханических исследований, как правило, используют скоростную киносъемку (скорость съемки 600...1000 кадров в с.), измерительно-регистрирующий комплекс электронной аппаратуры с применением автоматизированной обработки результатов на ЭВМ и кинодешифраторе. В пределах, допустимых техникой безопасности, объектом исследования является человек, в случаях невозможности выполнения техники безопасности исследования проводятся на антропометрических манекенах. Биокинематика и биодинамика человека при ДТП в большой степени определяются использованием водителями и пассажирами специальных защитных удерживающих средств. Поэтому биомеханика человека при ДТП исследуется как для случая применения ЗУС (ремней безопасности, подушек безопасности и др.), так и для случая их отсутствия в условиях отдельных типов ДТП.
Механика ДТП
Механика - наука, изучающая перемещение в пространстве и равновесие материальных тел под действием сил.
Механика ДТП - это отрасль прикладной механики, занимающаяся применением законов механики к решению практических задач по созданию и совершенствованию технических устройств в транспортных средствах, исключающих (снижающих) вероятность травмирования человека при ДТП.
Столкновения и опрокидывания автотранспортных средств при ДТП имеют характерные особенности, которые необходимо рассматривать отдельно.
Механика столкновений автомобилей. Столкновение сопровождается ударом. Ударом называется процесс (явление), при котором за бесконечно малый промежуток времени скорости изменяются до конечного значения. Удары сопровождаются ударным импульсом. Импульсом тела (количеством движения) называется произведение массы тела (m) на его скорость (V):
Изменение импульса тела постоянной массы может происходить только в результате изменения скорости и всегда обусловлено действием силы.
По закону сохранения импульса (количества движения) полный импульс замкнутой системы (на которую не действуют внешние силы) остается постоянным:
Полный импульс системы есть векторная сумма отдельных импульсов. Так как полный импульс системы Уполн не меняется, то векторная сумма всех изменений импульсов должна обращаться в нуль:
Соударение - это столкновение двух тел. При столкновении тела обмениваются энергией и импульсом. Теоретически соударения могут быть упругими, неупругими и частично упругими. Оценка упругости производится с помощью коэффициента восстановления К и коэффициента упругости Ку. При К = 0 - удар абсолютно неупругий, при К = 1 - абсолютно упругий. Практически в природе реально имеют место частично упругие соударения, когда 0 < К < 1. Коэффициент восстановления зависит от ударно-прочностных характеристик автомобилей и величины (характера) изменения его скорости при соударениях, определяется как отношение скорости после и до соударения:
где Vа - скорость автомобиля до соударения; V'a - скорость автомобиля после соударения.
Полученные экспериментально значения К в зависимости от изменения скорости автомобиля при столкновениях показаны на рис. 2.6.
Рис. 2.6. Зависимость коэффициента восстановления К от изменения скорости автомобиля при столкновении: ♦ - порезультатам исследований Зейферта; ■ - по результатам исследований Берг-Линдермана; • - по результатам исследований Рябчинского
Коэффициентом упругости автомобиля (его передней или другой части) называют отношение максимальной деформации к остаточной:
Для передней части легковых автомобилей он может составлять Ку = 1,1-1,3. Среднеинтегральное значение перегрузок Na современного легкового автомобиля, соответствующего требованиям безопасности при наезде на неподвижное препятствие со скоростью 50 км/ч, не превышает 20:
Механику столкновений автомобилей рассмотрим для случаев наезда автомобиля на недеформируемое и неспособное при соударении смещаться тело (назовем его неподвижным препятствием) и для процесса соударения автомобилей.
Механика столкновений определяется:
- массой автомобиля - m, кг;
- скоростью автомобиля - Vа, м/с;
- величиной деформации автомобиля - Sадеф, м;
- силовой характеристикой деформированной части автомобиля - F=f(Sадеф), Н;
- коэффициентом восстановления деформированной части автомобиля - К.
На рис. 2.7 показан характер изменения скорости движения автомобиля при его наезде на неподвижное препятствие.
Рис. 2.7. Изменение скорости движения при наезде автомобиля на неподвижное препятствие: 1 фаза - сближение; 2 фаза - замедление; 3 фаза - отдача; Va - скорость автомобиля при наезде на препятствие; ΔVa - изменение скорости автомобиля; V'a - максимальная скорость автомобиля при отдаче
Процесс прямого центрального наезда автомобиля на неподвижное препятствие схематически показан на рис. 2.8. В конце первой фазы сближения автомобиль общей длиной La и движущийся со скоростью Va контактирует с неподвижным препятствием (рис. 2.8,а). Во второй фазе в результате деформации передней части автомобиль, двигаясь замедленно, максимально сближается с препятствием (рис. 2.8,6). В момент остановки (конец 2-й фазы) деформация достигает максимума и составляет величину (Sадеф) max. В процессе второй фазы соударения кинетическая энергия автомобиля переходит в механическую энергию деформаций и разрушений энергоемких элементов передней части автомобиля, а также в потенциальную энергию и тепло. Затем следует третья фаза - отдача, когда упругие элементы деформированной передней части за счет накопленной потенциальной энергии при сжатии вновь переходит в кинетическую энергию, способствуя движению вначале с ускорением, а затем с замедлением в обратном направлении (рис. 2.8,в). После отделения от препятствия автомобиль имеет длину L'a. Длительность третьей фазы соударения может превышать на порядок длительность второй фазы.
Рис. 2.8. Процесс наезда автомобиля на неподвижное препятствие: La - длина автомобиля до удара; L'a - длина автомобиля после удара; (Sадеф)max - максимальная деформация автомобиля; La-L'a=(Sадеф)ост - остаточная деформация автомобиля
Разность размеров La-L'a=(Sадеф)ост, т.е. составляет остаточную деформацию автомобиля.
Значение ΔVа при наезде автомобиля на неподвижное препятствие может быть определено из выражения:
где К - коэффициент восстановления (определяется по экспериментальному графику - рис. 2.6); V'a - максимальная скорость автомобиля при отдаче.
Столкновения автомобилей представляют собой частично упругие соударения. Характерной особенностью такой разновидности соударения является наличие фазы совмещенного перемещения, когда автомобили после контакта часть энергии затрачивают на деформации, а затем происходит их совместное движение со скоростью V в направлении движения автомобиля, имеющего более высокий импульс.
На рис. 2.9 показаны изменения скоростей при встречном прямом центральном соударении автомобилей с разными значениями импульсов (V1=V2, m1=2m2). Первая и вторая фазы идентичны процессу наезда автомобиля на неподвижное препятствие, но фаза отдачи (36) следует после фазы За - совмещенного перемещения с общей скоростью совместного движения V.
Рис. 2.9. Изменение скорости автомобилей при встречном столкновении: V1,2 - скорости автомобилей до столкновения; V‘1,2 - скорости автомобиля при отдаче; V - общая скорость в период совместного перемещения; ΔV1,2 - изменение скоростей автомобилей при столкновении
Значение V может быть определено с учетом закона сохранения импульса (количества движения):
При этом коэффициент восстановления может не учитываться, так как он влияет только на перемещение автомобилей в фазе отдачи, когда воздействие травмоопасных перегрузок на человека практически уже завершено.
Тяжесть столкновения определяют не абсолютные значения скоростей движения автомобилей при соударении, а изменениями скоростей ΔV1,2:
Согласно закону сохранения энергии, кинетическая энергия Е1+2 системы, состоящей из двух автомобилей после соударения (после окончания процесса деформации) меньше энергии Е1+2 до соударения, так как часть энергии расходуется на деформацию.
Потери энергии АЕ1+2, затраченные на деформацию автомобилей, составляют:
Характер изменения скоростей автомобилей при попутных столкновениях и столкновениях с неподвижным автомобилем показан на рис. 2.10.
Рис. 2.10. Изменения скоростей автомобилей при попутном столкновении (а) и наезде на неподвижный автомобиль (б)
Механика опрокидывания автомобиля
Опрокидывание является травмоопасным типом ДТП особенно для грузовых автомобилей и автобусов.
Рассмотрим процесс поперечного опрокидывания, характерного для опрокидывания грузовых автомобилей и автобусов.
Процесс поперечного опрокидывания грузового автомобиля можно условно разделить на следующие фазы (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Схема процесса опрокидывания
Фаза 1. Автомобиль, вращаясь относительно оси D, опрокидывается на бок. Происходит удар грузовой платформой о поверхность, и автомобиль начинает вращаться относительно оси Е, а затем относительно оси С.
Фаза 2. Автомобиль вращается относительно оси С, происходит удар кабиной о поверхность, и автомобиль начинает вращаться относительно оси А. Затем происходит еще один удар, и автомобиль начинает вращаться относительно оси В.
Фаза 3. Автомобиль вращается относительно оси В и опрокидывается на бок.
Затем происходит дальнейшее опрокидывание и завершается полный оборот автомобиля относительно продольной оси.
Значение угловой скорости в начале удара автомобиля грузовой платформой о поверхность определяется по теореме об изменении кинетической энергии вращающегося тела из следующего выражения:
где JD - момент инерции автомобиля относительно продольной оси D; β - угол наклона поверхности.
Угловую скорость ω2 автомобиля в начале вращения относительно оси У можно представить в виде
где К1 - коэффициент изменения угловой скорости автомобиля за время удара при переходе от вращения относительно оси D к вращению относительно оси Т.
Коэффициент К1 находят из условия сохранения момента количества движения автомобиля относительно оси Е при ударе:
где LE - момент количества движения автомобиля относительно оси Е в начале удара; L'E - то же, в конце удара.
На основании теоремы о моментах количества при относительном движении системы определяем величину LE:
где J0 - момент инерции автомобиля относительно продольной оси Y, проходящей через его центр масс (точка О); H1 - расстояние от оси вращения Е до прямой, совпадающей с вектором скорости центра масс автомобиля в начале удара, Н1=r1-cosα1(r1cosα1+r2cosα1).
где JE - момент инерции автомобиля относительно оси Е.
Аналогично определяется К2 - коэффициент изменения угловой скорости автомобиля за время удара при переходе от вращения относительно оси Е к вращению относительно оси С, а также К3 и К4.
Условиями вращения автомобиля после ударов грузовой платформой и кабиной о поверхность опрокидывания являются:
Зависимости для определения коэффициентов К1, К2, К3 и К4 позволяют при известных значениях ω0 вычислить угловую скорость автомобиля во всех фазах опрокидывания (рис. 2.12).
Рис. 2.12. Изменение угловой скорости грузовых автомобилей в процессе опрокидывания на один оборот с уклона β=20-25°
В моменты контакта кабины с поверхностью опрокидывания на верхнюю боковую кромку кабины воздействует нагрузка импульсного характера. При вращении автомобиля относительно осей А и В верхние боковые кромки кабины подвергаются воздействию нагрузок, обусловленных с основном силой тяжести автомобиля - квазистатиче-скими нагрузками.
Процесс импульсного нагружения кабины можно условно разделить на два периода: первый - при переходе к вращению автомобиля относительно оси А; второй - при переходе к вращению автомобиля относительно оси В (см. рис. 2.11).
В первом периоде в результате удара автомобиля кабиной о поверхность опрокидывания скорость его центра масс изменяется в нормальном направлении:
и в тангенциальном направлении:
В соответствии с теоремой об изменении количества движения центра масс системы при ударе:
где FnI, FτI - суммарные импульсы, приложенные к кабине автомобиля со стороны поверхности опрокидывания в первом периоде соответственно в нормальном и тангенциальном направлениях; MkI - составляющая массы автомобиля, приходящаяся на кабину (см. рис. 2.12).
Для первого периода импульсного нагружения MkI=maa/(а+b), где а и b - расстояние от центра масс автомобиля соответственно до заднего борта грузовой платформы и до задней стенки кабины.
Во втором периоде скорость центра масс автомобиля изменяется на величины ΔvnII и ΔτnII:
Импульсные нагрузки на кабину во втором периоде с учетом распределения массы автомобиля между кабиной и грузовой платформой можно представить в следующем виде:
где:
Квазистатическая нагрузка FCT, воздействующая на кабину при вращении автомобиля относительно оси В, в процессе опрокидывания изменяется по величине и направлению и может быть определена из выражения:
Таким образом, представленные выше зависимости позволяют определить величины импульсных и квазистатических нагрузок, действующих на кабину грузового автомобиля в процессе опрокидывания.
Приведенная выше методология может быть также использована при анализе процесса опрокидывания автобусов с учетом их конструктивных особенностей.
При нормировании ударно-прочностных характеристик кабин грузовых автомобилей и кузовов автобусов необходимо учитывать:
- динамические нагрузки, действующие на верхнюю часть передних стоек кабины (кузова) по направлению продольной оси при опрокидывании транспортного средства на 90° и скольжении на боку;
- динамические поперечные нагрузки, действующие в конце II-й фазы опрокидывания (опрокидывание на 180°).
Механизмы травмирования человека в автомобиле при ДТП
Основной целью обеспечения пассивной безопасности автомобиля является исключение или снижение тяжести травмирования человека при ДТП, поэтому характеристики процессов взаимодействия человека (участника ДТП) с объектом соударения (автомобилем) и особенности механизмов травмирования человека в условиях ДТП являются основополагающими в работах по повышению пассивной безопасности автотранспортных средств.
Изучение данных по анализу ДТП позволяет выявлять характерные травмы с учетом условий и типа ДТП, типа транспортного средства и местоположения человека в автомобиле.
Результаты проведенных исследований ДТП, выполненный анализ биомеханики (биокинематики и биодинамики) человека в основных типах и видах ДТП, а также дополнительные медико-анатомические исследования водителей, пассажиров и пешеходов с типичными травмами позволяют определить основные факторы, определяющие тяжесть травмирования, и механизмы травмирования человека в автомобиле при основных типах ДТП.
Фронтальные столкновения. Фронтальные столкновения являются наиболее частым типом ДТП. Они составляют до 60% от всех ДТП, при которых получают травмы около 40% пострадавших от их общего числа.
Наиболее частыми видами фронтальных столкновений легковых и грузовых автомобилей являются нецентральные прямые (30...35%) и косые (29...35%) удары. У автобусов преобладают прямые центральные столкновения (68%). Главными источниками динамического воздействия на автомобили при фронтальных столкновениях являются транспортные средства (60...90%).
Основными причинами травмирования человека в автомобиле при фронтальных столкновениях являются перегрузки, возникающие в результате соударения с элементами салона. Деформации передней части автомобиля приводят к снижению перегрузок автомобиля и способствуют снижению тяжести травмирования.
Наиболее травмоопасным местом в легковом автомобиле является переднее место пассажира, далее следует место водителя и места на заднем сидении.
Наиболее травмоопасными элементами интерьера, при соударении с которыми травмируется более трети пострадавших при ДТП водителей и пассажиров автотранспортных средств, при фронтальных столкновениях являются рулевое управление (для водителей), ветровое стекло (стойки ветрового стекла), панель приборов, в том числе выступающие детали передней части салона, расположенные ниже уровня панели, спинки сидений (для сзади сидящих пассажиров).
Основными травмируемыми частями тела при фронтальных столкновениях для всех типов автотранспортных средств независимо от месторасположения человека являются голова, грудь, коленнобедренный комплекс (включая таз и тазовые органы) и дополнительно область нижней части туловища (для водителей грузовых автомобилей и автобусов).
Основная часть смертельных случаев связана с травмированием головы, грудной клетки и брюшной полости.
Травмирование человека при неиспользовании РБ и подушек безопасности происходит в определенной последовательности (рис. 2.13). Первоначально происходит удар коленными суставами о нижнюю часть панели приборов, впереди расположенные сиденья или другие элементы салона, находящиеся в зоне возможного удара коленным суставом, с возможным образованием переломов надколенника, разрывом связок коленных суставов. Далее ударный импульс воспринимается бедренными костями и тазобедренным суставом, при этом в зависимости от силы удара и величины изгиба коленного сустава возникают переломы бедренной кости, вывихи ее головки сзади с нарушением целостности вертлужной впадины и переломами бедренных костей в области шейки. Туловище перемещается вперед. Причем в зависимости от положения точки контакта коленями относительна центра тяжести тела, а также мускульных сил, прикладываемых человеком при упоре нижними и верхними конечностями, туловище может совершать кроме плоско-параллельного поступательного также и сложное вращательное движение относительно точки Н (точка пересечения плоскости симметрии манекена с осью, соответствующей теоретической оси вращения ноги относительно туловища сидящего человека) и точек контакта в коленной области с подъемом туловища.
Рис. 2.13. Перемещение водителя и пассажира незакрепленных РБ при фронтальном столкновении: А - водитель; Б - передний пассажир; а) перемещение вперед со скольжением по сиденью; б) удар коленями о панель приборов; в) процесс сгибания тазобедренных суставов и подъем туловища; г) возможный удар туловищем и головой о рулевое колесо (панель приборов); д, е) возможный удар головой о ветровое стекло и травмирование подбородка о рулевое колесо (панель приборов)
В результате контакта с рулевым управлением, панелью приборов, ветровым стеклом и другими элементами, расположенными в зоне возможного удара грудью и головой, возможно образование многочисленных переломов ребер (у водителей), переломов лицевой и мозговой частей черепа с повреждением мозгового вещества. При этом переломы костей черепа происходят в результате действия перегрузок в направлении «грудь-спина» и распространяются на переднюю, среднюю, реже заднюю черепные ямы. Возможны повреждения тканей лица.
В процессе фазы упругого отскока тело человека может перемещаться назад на сиденье с образованием резкого перегиба в области шеи с дополнительным перемещением головы относительно спинки сиденья. При этом возможны отрыв позвонков, разрывы связок шейного отдела позвоночника.
На рис. 2.14 приведены графики изменения скорости автомобиля и находящегося в нем человека, не использующего специальное удерживающее средство, при фронтальных столкновениях.
Рис. 2.14. Графики изменения скорости автомобиля и человека, не использующего специальное удерживающее средство при фронтальных столкновениях
Биомеханика человека (водителя, пассажира) характеризуется тремя фазами перемещения:
- Iчф - фаза свободного перемещения тела человека с момента начала столкновения до момента контакта человека с квазиудерживающим средством (УС);
- IIчф - фаза удерживания - от момента контакта человека с УС до момента времени, соответствующего максимальному перемещению, когда vч=0;
- IIIчф - фаза упругого отскока (отдачи) человека.
Биодинамику человека характеризует энергия, которую должно поглотить тело человека в момент контакта человека с УС, которая составляет:
где Δvа - изменение скорости автомобиля; va - скорость автомобиля в начальный момент столкновения; v'a - скорость автомобиля в фазе отскока.
При этом перегрузки человека определяется из выражения
где Δvч-а - разность между скоростями человека и автомобиля в момент контакта человека с УС, Δvч-а=vч-va; Sч+усдеф - суммарная деформация тела человека и УС.
Из приведенных выражений видно, что на конечные характеристики перемещения человека решающее влияние оказывает величина Δvч-а, т.е. разность скоростей между человеком и автомобилем. Учитывая, что на эту разность скоростей оказывает влияние характер изменений скорости автомобиля и его скорость при отскоке автомобиля, для снижения тяжести травмирования человека в автомобиле необходимо использовать специальные удерживающие средства и увеличивать время (путь) деформации передней части автомобиля.
При отсутствии специальных защитных удерживающих средств между человеком и интерьером автомобиля имеется, как правило, значительное расстояние. Поэтому контакт с элементами интерьера, находящимися в зоне возможного соударения и выполняющими роль квазизащитных удерживающих средств, происходит, как правило, по окончании процесса деформирования автомобиля. После контакта кинетическая энергия находящегося в автомобиле человека расходуется только на деформирование деталей интерьера и тела человека.
На перегрузки человека в данном случае влияют в основном только изменение скорости Δvч-а и характеристики элементов интерьера, с которыми возможен контакт человека. Поэтому параметром, косвенно оценивающим перегрузки автомобиля в случае отсутствия специальных защитных удерживающих средств, можно считать изменение скорости движения Ava автомобиля при столкновении.
При наличии специальных защитных удерживающих средств (рис. 2.15), например ремней безопасности, контакт человека с ними происходит значительно раньше и, как правило, до окончания процесса деформации автомобиля. Поэтому в этом случае кинетическая энергия перемещения находящегося в автомобиле человека затрачивается на деформацию удерживающих средств и на перегрузки человека влияют особенности процесса замедления автомобиля, т.е. его ударно-прочностные свойства. Если при использовании идеального (абсолютно жесткого) защитного удерживающего средства полностью исключается свободное перемещение человека, то перегрузки пассажиров будет определять только характер замедления автомобиля в течение всего активного периода, т.е. величина перегрузки автомобиля во время столкновения.
Рис. 2.15. График изменения скорости автомобиля и человека, использующего ремни безопасности при фронтальном столкновении
При этом следует отметить, что возможными способами повышения безопасности конструкций при перегрузках автомобиля, превышающих допустимые пределы, являются как улучшение силовых характеристик передней части, так и применение специальных удерживающих средств (ремней безопасности, коленных упоров и др.) с более высоким уровнем защитных свойств.
Боковые столкновения. Эти столкновения составляют более 20% от всех ДТП, при которых водители и пассажиры получают около 15% травм от общего числа. Более 55% всех боковых столкновений -это соударения легковых автомобилей.
При боковых ударах в пассажирский салон характерны деформации дверей, центральных стоек и боковины. Деформации при боковых столкновениях легковых автомобилей при Δvа < 50 км/ч не превышают 300...350 мм. Отмечаются разрушения сидений, отрывание и заклинивание дверей.
Внутренняя пассивная безопасность легковых автомобилей при боковых столкновениях примерно в 2 раза ниже, чем при фронтальных. Это связано с тем, что ремни безопасности не предотвращают травмирование пользователя при боковых ударах, а боковыми подушками безопасности оборудована меньшая часть эксплуатируемых автомобилей.
Водители и пассажиры, размещенные в автомобиле со стороны удара, являются наименее защищенными из-за перегрузок, возникающих в результате соударения с элементами боковины салона и травмоопасных деформаций боковины.
При боковых столкновениях наиболее характерны повреждения головы, плечевых суставов с ключицами, груди, реже (при значительных деформациях боковой стенки кузова) костей таза со стороны удара. При этом характерно образование переломов теменно-височных областей черепа с переходом трещин на его основание. Травмы сопровождаются ушибами головного мозга, внутримозговыми кровоизлияниями под его оболочкой.
При ударах плечевыми суставами могут образовываться переломы ключиц, отростков лопаток, разрывы связок грудинно-ключичных сочленений, иногда вывихи головок ключиц. При значительной деформации панелей дверей образуются переломы плечевой кости, переломы костей таза с внедрением головки бедренной кости в полость таза, сопровождающиеся повреждением тазовых органов. Резкое отклонение головы вбок вызывает разрывы связок между поперечными отростками шейных позвонков с последующим развитием шейнотравматического синдрома.
На рис. 2.16 приведены графики изменения скорости неподвижно стоящего автомобиля и находящегося в нем человека при наезде (ударе) сбоку. Аналогичный график характеризует биокинематику человека при задних столкновениях (ударе сзади в неподвижный автомобиль).
Рис. 2.16. Биокинематика человека при боковом столкновении
Чем больше расстояние между частью тела человека и боковиной автомобиля, тем выше значения Δvч-а, т.е. выше перегрузки человека при ДТП.
Закономерности биокинематики и биодинамики человека при отсутствии и использовании специальных удерживающих систем при боковых и задних столкновениях аналогичны описанным для фронтального столкновения.
Наезды (удары) сзади. Они составляют менее 5% всех ДТП, при которых водители и пассажиры получают около 3% травм от общего числа. При задних столкновениях отмечаются деформации задней части автомобилей в основном без нарушения жизненного пространства, заклинивание задних дверей и разрушения каркасов спинок передних сидений легковых автомобилей.
При наездах на автомобиль сзади характерны повреждения в шейном и верхнегрудном отделах позвоночника. В первый момент столкновения возникает резкий перегиб в области шеи назад, после чего голова перемещается относительно туловища вперед, при этом происходит не только повреждение шеи, ее мягких тканей и позвоночника под действием сил растяжения, но и определенный сдвиг головы относительно первых шейных позвонков. Возможны травмы сосудов, нервов шеи, связок, я также разрывы сочленения между черепом и первым шейным позвонком, перелом зубовидного отростка второго шейного позвонка с травмой спинного мозга, компрессионные переломы тел позвонков. Следует отметить, что в случае отсутствия явных повреждений костных частей шеи диагностика затруднена (особенно, если пострадавший находится в тяжелом или бессознательном состоянии и не может сообщить врачу о своих ощущениях), так как зачастую каких-либо внешних признаков повреждений на шее не наблюдается. (В ряде случаев повреждения связок и тел позвонков определяются только по результатам вскрытия трупов.)
Опрокидывания. Наиболее частыми видами опрокидывания являются опрокидывания на ¼...1 оборот относительно продольной оси с контактом крыши, кузова (кабины) с поверхностью (составляют до 85% всех видов опрокидываний).
Характерными деформациями (разрушениями) являются травмоопасные деформации верхней части и боковин кузова (кабины), открывание и заклинивание дверей. Максимальная деформация крыши кабин грузового автомобиля составляет более 400 мм.
Наиболее частой причиной травмирования со смертельным исходом в грузовых автомобилях являются деформации кабины и выбрасывание человека; в легковых автомобилях и автобусах - соударения с травмоопасными элементами салона и выбрасывание человека. В процессе опрокидывания возможно возгорание грузовых автомобилей и автобусов.
Основными причинами травмирования является выбрасывание человека из автомобиля, деформация верхней части автомобиля с нарушением жизненного пространства (характерно для грузовых автомобилей и автобусов), а реже - удар головой о выступающие элементы салона. Применение ремней безопасности и оптимизация ударно-прочностных свойств верхней части кузова (кабины) позволяют практически исключить тяжелые случаи повреждения тела человека в автомобиле при опрокидывании.
Основное влияние на тяжесть травмирования человека внутри автомобиля при опрокидывании оказывает величина угловой скорости автомобиля (wа) при опрокидывании.
Результаты изучения биомеханики ДТП позволяют сформулировать основополагающие требования пассивной безопасности:
А. Требования к автотранспортным средствам:
- ударно-прочностные свойства автомобиля должны быть такими, чтобы возникающие при столкновениях перегрузки салона автомобиля были, по возможности, минимальными, а деформации (перемещение) кузова (кабины) и его элементов не распространялись в пределы жизненного пространства;
- ударно-прочностные свойства верхней части кузова (кабины) автотранспортного средства должны обеспечивать сохранение жизненного пространства в процессе опрокидывания;
- компоновка кузова (кабины) должна обеспечивать минимальные свободные перемещения человека относительно квазизащитных удерживающих средств;
- в автотранспортных средствах должны использоваться специальные защитные удерживающие средства, эффективные при всех видах ДТП. Они могут устанавливаться в автотранспортных средствах в случае соответствия последних предыдущим требованиям о сохранении жизненного пространства при опрокидывании;
- конструкция элементов фиксации дверей (дверные замки, петли и др.), аварийных выходов, ветровых стекол и мест их установки должна, по возможности, исключать их самооткрывание в процессе ДТП для предотвращения выбрасывания человека из автотранспортного средства;
- конструкция бензобака (бензопроводов) и электрических приборов, а также ударно-прочностные свойства автомобиля в зоне их расположения должны исключать вероятность возникновения деформаций в этих зонах, течи топлива и воспламенения при ДТП;
- конструкция передней части автомобиля и ударно-прочностные свойства ее элементов, с которыми возможен контакт тела пешехода при наезде на него автомобиля, должны, по возможности, исключать (снижать) тяжесть травмирования пешехода.
Б. Требования к удерживающим средствам:
- ударно-прочностные свойства специальных защитных и квази-защитных удерживающих средств должны быть такими, чтобы перегрузки, возникающие при контакте с ними человека, были максимальными, но не превышали допустимых пределов выносливости контак-тируемых частей тела человека при максимально возможной скорости движения автомобиля в момент столкновения;
- конструкции специальных защитных и квазизащитных удерживающих средств должны обеспечивать минимальные свободные перемещения человека при столкновениях;
- конструкции элементов интерьера кузова (кабины) и органов управления автотранспортного средства, расположенных в зоне возможного удара при опрокидываниях и столкновениях, должны исключать возможность образования в процессе ДТП острых выступающих частей, при контакте с которыми могут возникнуть травмоопасные локальные перегрузки отдельных частей тела человека;
- сиденья должны быть оборудованы подголовниками и выполнять роль квазизащитных удерживающих средств для сидящих и находящихся сзади пассажиров с учетом действия перегрузок по направлению «грудь - спина», предохранять человека от вероятности соударения с элементами интерьера и не перемещаться при ударе в зону размещения и перемещения сзади сидящего пассажира.
В. Требования к объектам соударения:
- ударно-прочностные свойства стационарных и подвижных объектов возможного соударения с автотранспортными средствами должны быть такими, чтобы перегрузки, возникающие при соударении с ними, были, по возможности, минимальными;
- геометрические параметры и форма объектов возможного соударения не должны способствовать нарушению жизненного пространства в автотранспортных средствах при столкновении;
- при наличии откосов большой крутизны и протяженности на придорожной полосе в зонах возможного опрокидывания автомобилей необходимо применять специальные ограждения дорог, предотвращающие опрокидывание автотранспортных средств;
- в зонах возможного опрокидывания на дорожном полотне и в придорожной полосе не должно быть недеформируемых неровностей и объектов инженерного обустройства дорог, способствующих возникновению локальных перегрузок кабины при опрокидывании автотранспортных средств.
Внедрение мероприятий по повышению безопасности конструкций автотранспортных средств должно проводиться с целью снижения в первую очередь вероятности получения водителями и пассажирами травм при наиболее частых видах ДТП, результаты исследований биомеханики и механизмов травмирования человека при ДТП должны рассматриваться как исходные (базовые) при разработке расчетных и экспериментальных методов исследований и при оптимизации характеристик элементов системы обеспечения пассивной безопасности.