Wpływ prędkości samochodu w trakcie zderzenia z pieszym na obciążenia głowy oraz szyi pieszego

Transkrypt

1 KUŹNAR Małgorzata 1 Wpływ prędkości samochodu w trakcie zderzenia z pieszym na obciążenia głowy oraz szyi pieszego WSTĘP Wypadki z udziałem osób pieszych są istotnym problemem społecznym. Z raportu Komendy Głównej Policji wynika, że w 2013 r. niechronieni uczestnicy ruchu stanowili około 42% spośród wszystkich ofiar wypadków [3]. Odnotowano wówczas 9489 wypadków z udziałem osób pieszych (ok. 27% ogółu), w których zginęło 1147 osób (34% ogółu osób zabitych), a 9004 odniosło obrażenia ciała (ok. 20% ogółu osób rannych). Rekonstrukcja przebiegu zdarzenia angażuje wiedzę i doświadczenie ekspertów m. in. z zakresu biomechaniki, prawa czy medycyny [2, 7, 9, 10, 12]. Najpopularniejszymi obrażeniami, jakich doznaje poszkodowany pieszy są urazy kończyn dolnych, jednak nie są to jedyne obrażenia. Często pieszy doznaje wielomiejscowych urazów, które powstają, gdy mechanizm potrącenia pieszego jest wielofazowy. Ze względu na ogólny stan poszkodowanego szczególnie ważne wydają się być obrażenia głowy, szyi oraz torsu, przy czym obrażenia głowy są zazwyczaj bardziej rozległe niż obrażenia innych części ciała [8, 9]. Dzieję się tak, ponieważ głowa, jako umiejscowiona na końcu kręgosłupa doznaje znacznie większych przyspieszeń niż pozostałe części ciała. Obrażenia głowy powstają zarówno w I fazie zderzenia - podczas kontaktu z nadwoziem pojazdu oraz w II fazie zderzenia - po odrzuceniu ciała i jego upadku na podłożę. W artykule przedstawiono wyniki eksperymentu numerycznego, którego celem było zbadanie wpływu prędkości samochodu w trakcie zderzenia z pieszym na przyspieszenia, jakich doznaje głowa oraz szyja poszkodowanego. Użyty program PC-Crash, będący narzędziem wspomagającym pracę ekspertów z zakresu wypadków drogowych w rekonstrukcji zdarzeń drogowych umożliwia ustalenie m. in. istotnych parametrów wypadku, których nie udałoby się dokonać innymi metodami [6, 11]. Obecnie jest podstawowym programem używanym do rekonstrukcji wypadków w Europie [5]. 1. ZASTOSOWANE METODY BADAWCZE W programie PC-Crash przeprowadzona została seria symulacji komputerowych. Położenie początkowe pieszego lewym bokiem w osi symetrii pojazdu, oraz model samochodu (VW-Passat 1.8 TFSI 160 PS Variant) były stałe. Parametrem zmiennym w eksperymencie numerycznym była prędkość pojazdu: 20 km/h, 40 km/h, 50 km/h, 60 km/h i 80 km/h. Zastosowano także dwa modele osoby pieszej model odzwierciedlający małą kobietę (o wadze 48 kg i wzroście 1,502 m), oraz model odzwierciedlający dużego mężczyznę (o wadze 98 kg i wzroście 1,862 m) [1]. Na rysunku 1.a pokazano początkowe położenie 5-percentylowego modelu kobiety, natomiast na rys. 1.b 95-percentylowego modelu mężczyzny względem samochodu. W chwili początkowej symulacji, pieszy stał zwrócony lewym bokiem do ściany czołowej samochodu, a pojazd hamowany był z opóźnieniem 7,85 m/ [4]. 1 Mgr inż. M. Kuźnar, Politechnika Krakowska, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Szynowych, Zakład Niezawodności i Eksploatacji Technicznej, Tel , malgorzata.kuznar@mech.pk.edu.pl 2697

2 a) b) Rys. 1. Położenie początkowe a) 5-percentyloweg modelu kobiety; b) 95-percentylowego modelu mężczyzny [4] 2. WYNIKI BADAŃ Dla każdej symulacji sporządzono wykres zależności odrzutu wzdłużnego od czasu zderzenia oraz wykres pokazujący drogę hamowania pojazdu. Otrzymane wyniki zestawiono w tabeli 1. Tab.1. Wykaz zależności drogi odrzutu wzdłużnego pieszego oraz drogi hamowania pojazdu od prędkości początkowej pojazdu oraz od zastosowanego modelu pieszego droga odrzutu wzdłużnego [m] droga hamowania [m] 5 centylowa kobieta 95 centylowy mężczyzna 5 centylowa kobieta 20 4,3 3,4 1,9 1,8 prędkość [km/h] 95 centylowy mężczyzna 40 14,0 10,7 7,4 7, ,0 16,3 11,5 10, ,5 22,8 16,6 15, ,2 44,4 29,4 27,5 W kolejnym etapie sporządzono wykresy zależności przyspieszenia głowy oraz szyi od czasu (rys. 2 11). Dla modelu kobiety przy prędkości początkowej 20 km/h zauważyć można maksima lokalne w przedziale czasu od 0 do 0,1s, co odpowiada chwili, gdy głowa przemieszcza się w stronę pokrywy komory silnika (rys. 2). Maksymalne przeciążenie głowy wynosi jednak 40 g dla chwili t = 0,69 s. W przypadku szyi maksymalna wartość przyspieszenia wyniosła 49,5 g dla t = 0,71 s, czyli 0,02 s później niż największe przeciążenie głowy. W obu przypadkach maksymalne przeciążenia związane były z uderzeniem głowy o jezdnię. Rys. 2. Zależność przyspieszeń głowy i szyi od czasu dla 5-percentylowej kobiety przy prędkości 20 km/h 2698

3 Rys. 3. Zależność przyspieszeń głowy i szyi od czasu dla 95-percentylowego mężczyzny przy prędkości 20 km/h Rys. 4. Zależność przyspieszeń głowy i szyi od czasu dla 5-percentylowej kobiety przy prędkości 40 km/h Rys. 5. Zależność przyspieszeń głowy i szyi od czasu dla 95-percentylowego mężczyzny przy prędkości 40 km/h Rys. 6. Zależność przyspieszeń głowy i szyi od czasu dla 5-percentylowej kobiety przy prędkości 50 km/h 2699

4 Rys. 7. Zależność przyspieszeń głowy i szyi od czasu dla 95-percentylowego mężczyzny przy prędkości 50 km/h Rys. 8. Zależność przyspieszeń głowy i szyi od czasu dla 5-percentylowej kobiety przy prędkości 60 km/h Rys. 9. Zależność przyspieszeń głowy i szyi od czasu dla 95-percentylowego mężczyzny przy prędkości 60 km/h Rys. 10. Zależność przyspieszeń głowy i szyi od czasu dla 5-percentylowej kobiety przy prędkości 80 km/h 2700

5 Rys. 11. Zależność przyspieszeń głowy i szyi od czasu dla 95-percentylowego mężczyzny przy prędkości 80 km/h Rysunek 3 pokazuje, jakich przeciążeń doznała głowa oraz szyja 95 centylowego mężczyzny przy prędkości 20 km/h.. W chwili t = 0,15 s przeciążenie szyi wyniosło 32,5 g (nastąpił wówczas kontakt biodra z pojazdem). Maksimum lokalne dla głowy pojawiło się w 0,38 s zderzenia, gdy głowa uderzyła w pokrywę komory silnika, jednak maksymalne przeciążenie głowy nastąpiło w chwili t = 0,95 s (gdy głowa manekina upadała na jezdnię) i wyniosło ono 15,9 g. Przy prędkości 40 km/h model 5 centylowej kobiety doznał największych przeciążeń szyi w chwili gdy głowa na skutek zderzenia zaczęła przemieszczać się w stronę pokrywy komory silnika (t = 0,04 s). Przeciążenie szyi wyniosło wówczas 60,6 g. Maksymalne przeciążenia głowy miało miejsce gdy upada ona na jezdnię w chwili t = 0,98 s i wyniosło ono 58,4 g (rys. 4). Na rysunku 5 przedstawiono przyspieszenia, jakich podczas wypadku doznała głowa oraz szyja potrąconego 95 centylowego modelu męskiego przy v = 40 km/h. Pierwsze maksimum lokalne zarówno dla szyi jak i głowy pojawiło się w czasie t = 0,09 s. Wówczas przeciążenia dla szyi osiągnęły swoją maksymalną wartość 44,2 g. Maksimum dla głowy miało miejsce, gdy uderzyła ona o podłoże w chwili t = 1,22 s (55,7 g). Po uderzeniu z prędkością 50 km/h samochodu w kończyny dolne, ciało 5 centylowej kobiety dostało przyspieszenia kątowego (maksymalne przeciążenie szyi 125,6 g), co spowodowało uderzenie głowy o pokrywę komory silnika, a następnie po wykonaniu w powietrzu obrotu o 450 głowa uderzyła o jezdnię. W kolejnej fazie ciało sunęło się po podłożu i kolejny raz głowa modelu uderzyła w jezdnię (rys. 6). Na rysunku 7 przedstawiono przyspieszenia dla modelu 95 centylowego mężczyzny potrąconego z prędkością 50 km/h. W chwili t = 0,07 s, gdy ciału została zadana rotacja, maksymalną wartość przeciążenia otrzymała szyja pieszego. Wartość ta wyniosła 50,6 g i odpowiadała chwili, gdy głowa zbliżała się bezwładnie do pokrywy komory silnika. Dla głowy maksimum lokalne pojawiło się w 0,17 s zderzenia, gdy głowa uderzyła w przednią szybę pojazdu. Kolejne lokalne maksimum można zauważyć dla t = 0,47 s (podczas rotacji pieszego). Głowa doznała maksymalnego przeciążenia 39,3 g w chwili t = 1,16 s, gdy uderzyła ona w pokrywę komory silnika. Kolejne maksimum lokalne przeciążeń głowy i szyi pojawiło się, gdy głowa mężczyzny uderzyła o jezdnię. Maksymalne przeciążenia szyi modelu 5 centylowej kobiety pojawiły się w chwili, gdy po uderzeniu samochodu poruszającego się z prędkością 60 km/h (rys. 8), głowa przemieszczała się w kierunku pojazdu. Przyspieszenie osiągnęło największą wartość w chwili t = 0,03 s i wyniosło 9,3 g. Maksymalne przeciążenie głowy nastąpiło natomiast w t = 1,07 s, a jego wartość wyniosła 74,6 g (chwila ta odpowiada upadkowi głowy na jezdnię). Przy takiej samej prędkości model 95 centylowego mężczyzny na skutek zderzenia zaczął rotować uderzając głową w przednią szybę pojazdu. W chwili t = 0,06 s można zauważyć maksymalną wartość 75,8 g przeciążenia szyi. Gdy głowa uderzyła w przednią szybę na wykresie 9 pojawiło się maksimum lokalne przyspieszenia głowy. Największą wartość przeciążenia 53,3 g można jednak zauważyć podczas upadku głowy na jezdnię w chwili t = 1,23 s, któremu towarzyszą lokalne maksima przeciążeń dla szyi. Zderzenie modelu 5 centylowej kobiety z pojazdem poruszającym się z prędkością 80 km/h nadało pieszemu prędkości kątowej, na skutek której zaczął rotować. Maksima przyspieszeń głowy pojawiły 2701

6 się w dwóch miejscach. Pierwsze dla t = 0,04 s gdzie wyniosły 135 g, gdy głowa przemieszczała się siłą bezwładności w stronę pokrywy komory silnika. Następny wzrost przyspieszeń nastąpił podczas upadku głową na jezdnię w chwili t = 1,39 s. Podobnie jest z szyją, która swojego maksymalnego przyspieszenia 125,2 g dostała w chwili t = 0,02 s, gdy bezwładna głowa przemieszcza się w stronę pojazdu. Kolejne maksimum lokalne dla szyi pojawiło się w chwili t = 1,41 s tuż po uderzeniu głową o jezdnię (rys. 10). Gdy zderzenie nadało modelowi 95 centylowego mężczyzny prędkości kątowej w chwili t = 0,04, pojawiła się maksymalna wartość 99,8 g przeciążenia szyi. W chwili uderzenia głową w szybę przednią nastąpiło maksymalne przeciążenie głowy, które wyniosło 183,5 g. Model następnie obrócił się w powietrzu dwa i pół razy po czy upadł głową na jezdnię, odbił się od niej, wykonał obrót o 270 i ponownie upadł głową. Wykres przyspieszeń, jakich doznaje głowa i szyja ilustruje rysunek 11. Wyniki przeprowadzonych symulacji zestawiono w tabeli 2. W formie wykresów przedstawiono zależność maksymalnych przeciążeń głowy i szyi powstałych zarówno w I jak i II fazie wypadku od prędkości początkowej pojazdu. Tab. 2. Wykaz zależności maksymalnych przeciążeń głowy, szyi od prędkości początkowej pojazdu oraz od zastosowanego modelu prędkość [km/h] 5 centylowa kobieta głowa [g] 95 centylowy mężczyzna 5 centylowa kobieta szyja [g] 95 centylowy mężczyzna 20 40,0 15,9 49,5 32, ,4 55,7 60,6 44, ,2 39,3 125,6 50, ,6 53,3 69,3 75, ,0 183,5 125,3 99,8 3. ANALIZA WYNIKÓW Przeciążeniami, które niewątpliwie mają wpływ na zdrowie człowieka wydają się być te, które dotyczą głowy oraz szyi. Dla modelu 95 centylowego mężczyzny, analizując wpływ prędkości pojazdu na obciążenia szyi, można zauważyć płynny wzrost ich maksymalnych wartości wraz ze wzrostem prędkości pojazdu ( rys. 13. b). Podobnie jest w przypadku przeciążeń głowy (rys. 12 b). Inaczej wygląda sprawa podczas zderzenia pojazdu z modelem 5-cio centylowej kobiety. Przy prędkości początkowej 50 km/h pojawiła się większa wartość przeciążenia zarówno głowy jak i szyi, w porównaniu z przeciążeniami występującymi podczas potrącenia samochodem jadącym 40 km/h oraz 60/ km/h. Przeciążenia głowy oraz szyi występujące przy 50 km/h są niemalże porównywalne z przeciążeniami, które występują dla tych części ciała przy potrąceniu pojazdem jadącym 80 km/h. Podczas wzrostu przyspieszeń górnej partii ciała dla prędkości 50 km/h zaobserwowano w czasie symulacji spadek przeciążeń w kończynach dolnych. Maksymalne przeciążenia głowy dla obu modeli powstają podczas jej upadku na jezdnię przy prędkościach 20, 40, 50 oraz 60 km/h, natomiast w przypadku zderzenia z samochodem jadącym z prędkością 80 km/h maksymalne obciążenia powstają podczas kontaktu głowy z pojazdem (z pokrywą komory silnika w przypadku modelu kobiety natomiast w przypadku modelu mężczyzny z szybą przednią samochodu). 2702

7 a) b) Rys. 12. Zależność maksymalnych preciążeń głowy powstałych w I i II fazie wypadku od prędkości początkowej pojazdu dla a) 5 centylowego modelu kobiety; b) 95 centylowego modelu mężczyzny a) b) Rys. 13. Zależność maksymalnych preciążeń szyi powstałych w I i II fazie wypadku od prędkości początkowej pojazdu dla a) 5 centylowego modelu kobiety; b) 95 centylowego modelu mężczyzny Należy zauważyć, że wartości przeciążeń mają związek z wielkością manekina, a raczej z wysokością jego środka masy. W przypadku modelu kobiety, gdy znajduje się on stosunkowo nisko, miejsce przyłożenia impulsu znajduje się bliżej środka masy niż w przypadku modelu mężczyzny. Powoduje to zwiększenie przyspieszeń translacyjnych, a zmniejszenie rotacyjnych. Odwrotna sytuacja zachodzi w przypadku manekina 95 centylowego mężczyzny, gdy środek jego masy znajduje się dość wysoko. Uderzenie powoduje nadanie mu wyższych niż dla modelu kobiety przyspieszeń kątowych, a mniejszych przyspieszeń liniowych. PODSUMOWANIE Wzrost pieszego, a więc i wysokość środka masy wpływa na doznane przez pieszego obciążenia. Im bliżej środka masy znajduje się miejsce przyłożenia impulsu, tym człowiek doznaje większych przyspieszeń liniowych a niżeli kątowych, co powoduje zwiększenie wartości przeciążeń powstających podczas upadku na jezdnię. Jak wynika z badań symulacyjnych właśnie w II fazie wypadku zaobserwować można maksymalne przyspieszenia głowy zarówno dla modelu

8 centylowego mężczyzny jak i 5 centylowej kobiety (przy prędkościach 20, 40,50, 60 km/h) jednak w przypadku niskiej kobiety przeciążenia te są nawet 2,5 razy większe niż w przypadku modelu wysokiego mężczyzny. Na tej podstawie wnioskować można, że zderzenie osoby stosunkowo niskiej, której środek masy znajduje się blisko miejsca przyłożenia impulsu nawet przy niewielkiej prędkości początkowej zderzenia, może powodować duże przyspieszenia głowy, a więc i jej obrażenia. Szczególnie niebezpieczny może być taki wypadek z udziałem dziecka, które mimo niewielkiej prędkości początkowej pojazdu w trakcie zderzenia dozna znacznie większych niż osoba dorosła przeciążeń głowy Streszczenie Celem pracy było zbadanie wpływu prędkości pojazdu w trakcie zderzenia z pieszym na przeciążenia głowy oraz szyi pieszego. W programie PC-Crash przeprowadzono serię symulacji polegających na zderzeniu pojazdu z wielobryłowym modelem pieszego. Położenie pieszego lewym bokiem w osi symetrii pojazdu, oraz model samochodu były stałe. Parametrem zmiennym w symulacji była prędkość pojazdu w zakresie 20 km/h, 40 km/h, 50 km/h, 60 km/h i 80 km/h. Zastosowano także dwa modele osoby pieszej model 5 centylowej kobiety, oraz model 95 centylowego mężczyzny. Jako pojazdu użyto samochód VW-Passat 1.8 TFSI 160 PS Variant. W chwili początkowej symulacji, pieszy stał zwrócony lewym bokiem do ściany czołowej samochodu.okazało się, że wysokość modeli osób pieszych miało wpływ na ich ruch po zderzeniowy. Proces ten był związany z wysokością środka masy, który był różny dla badanych modeli. Gdy pieszym była 5 centylowa kobieta środek masy znajdował się stosunkowo nisko. Wpłynęło to na zwiększenie przyspieszeń liniowych w stosunku do przyspieszeń kątowych. W konsekwencji model 5 centylowej kobiety doznaje większych przeciążeń głowy niż model 95 centylowego mężczyzny przy takich samych prędkościach początkowych zderzenia Słowa kluczowe: biomechanika zderzenia z pieszym, ekspertyza wypadków drogowych, przeciążenia głowy, przeciążenia szyi, bezpieczeństwo osób pieszych, PC-Crash Effect of car speed during impact with pedestrian on pedestrian head and neck loads Abstract The aim of this study was to investigate the effect of car speed during a collision with a pedestrian on his loads, in particular on the neck and head accelerations The PC Crash program was used to simulate the collision of a car with multi-body system of a pedestrian. Principal aim of the study was carried out by describing the numerical experiment involving the collision of the vehicle at an impact speed of 20 km/h, 40 km/h, 50 km/h, 60 km/h and 80 km/h. The simulations have also two variants. First involved model of 5 percentile female, second the 95 percentile male model. In simulations were used only one type of car which is VW-Passat 1.8 TFSI 160 PS Variant, and only one position of a pedestrian. The pedestrian model was located in the main axis of car, and the collision has been on the left side of the pedestrian body. It turns out that pedestrian height had an influence on post impact movement. It happed because the height of mass center was different for another pedestrian model. When a pedestrian was a 5 percentile women the mass center was low and collision contact location causes lower rotation acceleration, but the linear acceleration was higher. Therefore the 5 percentile female model hits the head on the road much more than 95 percentile male model the head experiences a greater accelerations. Keywords: biomechanics in vehicle-pedestrian collisions, traffic accidents expertise, head overloads, neck overloads, pedestrian safety, PC-Crash BIBLIOGRAFIA 1. Batagowska A.: Atlas antropometryczny dorosłej ludności dla potrzeb projektowania, Prace i Materiały IWP, Warszawa Cieślak M., Kalwarska M., Łagan S.: Biomechanika zderzenia z pieszym a ekspertyza wypadku drogowego, Aktualne Problemy Biomechaniki, nr 5/ Komenda Główna Policji: Wypadki drogowe w Polsce w 2011 roku, Raport staty-styczny. 2704

9 4. Kuźnar M., Wpływ prędkości w trakcie zderzenia z pieszym na obciążenia pieszego symulacje programem Pc-Crash, Praca dyplomowa inżynierska, Politechnika Krakowska Wydział Mechaniczny, Moser A.: Validation of the PC -Crash Pedestrian Model, Graz University of Tech-nology, Austria Moser A., Steffan H., Kasanický G.: The Pedestrian Model in PC-Crash The Introduction of a Multi Body System and its Validation, International Congress and Exposition, Detroit Prochowski L., Unarski J., Wach W., Wicher J.: Podstawy rekonstrukcji wypadków samochodowych. WKŁ, Warszawa, Tefft B. C., AAA Foundation for Traffic Safety: Impact Speed and a Pedestrian s Risk of Severe Injury or Death, Washington Teresiński G.: Biomechanika zderzenia z pieszym. Wydawnictwo AM, Lublin Wicher J.: Bezpieczeństwo samochodów i ruchu drogowego. WKŁ, Warszawa Wach W.: Symulacja wypadków drogowych w programie PC-Crash, Instytut Ekspertyz Sądowych, Kraków Praca zbiorowa: Wypadki drogowe. Vademecum biegłego sądowego, Wydawnictwo IES, Kraków 2006, wydanie II zmienione. 13. Strona internetowa: O programie PC-Crash, (dostęp z dnia ) 2705