Limite Biomecanice

7/28/2019 Limite Biomecanice

1/107

LIMITE BIOMECANICE I PROTECIAPASIV A OCUPANILOR

Cu toate progresele fcute n ceea ce privete adaptarea autovehiculului lacomportamentul uman i la mediu, accidentele rutiere se produc n continuarei au creat deja o problematic socio-economic specific. Este suficient samintim n acest sens c n anul 2003 se produceau n statele CE un numr de1.300.000 accidente, cu 1.700.000 victime, din care decedau 40.000. Costulacestor accidente era de 160 miliarde euro, ceea ce reprezenta cca 2% dinPIB-ul CE.

ansele de supravieuire ntr-un accident depind de modul i nivelul deprotecie oferit de structura autovehiculului n aa fel nct s nu fie depitelimitele biomecanice ale organismului uman. Progresele n domeniulsiguranei pasive se bazeaz tocmai pe o bun cunoatere a toleranelorcorpului uman la solicitrile generate de accidentele rutiere.

1. REACII I TOLERANA ORGANISMULUI UMANSOLICITAT N ACCIDENTE RUTIERE

Accidentele rutiere se produc cu viteze suficient de mari, durata lor scurtfcnd imposibile eventuale reacii musculare de autoaprare a corpului.Eficiena sistemelor de protecie ct i eliminarea sau atenuarea eventualelorrniri provocate de ele implic cunotine temeinice despre cinematicaocupanilor i biomecanica impactului.

S-a constatat c fiecare categorie de coliziune genereaz micri alecorpului i leziuni asemntoare, ceea ce conduce logic la o abordare acinematicii i biomecanicii impactului n funcie de caracteristicile ciocnirii.

n principiu este posibil ca ntr-un accident de circulaie s se producorice tip de leziune i asta datorit complexitii deosebite a condiiilor fizicei biologice care se influeneaz reciproc. Dintre leziunile posibile ns numaio mic parte apar cu frecven mare; este astfel raional i din punct de vedreeconomic ca mijloacele de protecie pasiv s vin n ntmpinarea acestora.

Cercetrile n domeniul biomecanicii impactului sunt dificile ntructimplic nc o multitudine de experiene pe modele care nu reflec ndeajuns

proprietile organismului uman. De aceea, orice cretere a preciziei sau a


2/107

Limite biomecanice si protectia pasiva a ocupantilor 2

nivelului de reproductibilitate se realizeaz prin creterea costurilor, motivpentru care asemenea cercetri pot fi efectuate de un numr redus decolective.

1.1. CINEMATICA VICTIMELOR ACCIDENTELORRUTIERE

Rnirile corpului uman provin din lovirea cu prile interioare sauexterioare ale autovehiculului, fa de care exist o diferen de vitez.Variaia vitezei n timp genereaz acceleraii care aplicate maselor ocupanilorsau pietonilor dau natere la fore de contact suficient de mari care pot fisurasau rupe esuturi i oase, iar n cazul descrcrii pe suprafee tioase sauascuite, pot provoca tieri sau mpunsturi periculoase asupra unor organevitale.

Pentru ocupanii unui autovehicul, cele mai mari diferene de viteze aparn situaia coliziunilor dintre vehicule, sau dintre autovehicul i un obsatcolfix rigid (perete, zid, copac); accelearii mai apar i cnd autovehiculul serotete n raport fie cu axa vertical, fie cu axa longitudinal (rostogolire), caurmare a unui impact sau unei manevre greite de viraj. Schimbrile brutedintre direciile vitezelor vehiculului i ocupanilor provoac i ele acceleraiiunghiulare sau coriollis cu consecine periculoase pentru corpul uman.

n cazul pietonilor, apar rniri din lovirea direct cu autovehiculul, dinproiectarea corpului pe osea sau acostament, ori din clcarea cu roile.

Studiul micrilor ocupanilor vehiculului sau pietonilor urmretestabilirea evoluiei n timp a principalelor lor mrimi cinematice, precumdeplasarea, viteza i acceleraia; cele mai importante sunt datele referitoare laacceleraie, ntruct de aceasta depinde gravitatea leziunilor.

Cinematica ocupanilor sau pietonilor este important din mai multemotive. n primul rnd se pot concepe noi sisteme de protecie sau perfecionacele existente, ceea ce reprezint una din prioritile actuale aleconstructorilor de automobile. Cunoscnd cinematica ocupanilor pot fiexplicate tipul i gravitatea leziunilor, ceea ce poate ajuta expertul tehnic lareconstrucia accidentului, la stabilirea micrii vehiculului nainte, n timpuli dup producerea coliziunii. Totodat s-ar putea determina dac ocupanii aufolosit centurile de siguran sau care dintre ocupani a condus vehiculul. Deasemeni, cunoaterea cinematicii poate ajuta la confirmarea leziunilor subaspectul producerii sau nu a lor ca urmare a accidentului.


3/107


1.1.1. Acceleraiile impactului

Dup cum am afirmat, acceleraiile impactului i rnirile asociate lor potcaracteriza cel mai bine mecanismul producerii leziunilor i gravitatea lor. nstudiul cinematic al impactului intereseaz n mod deosebit tipul acceleraiei(liniare, unghiulare, coriollis), durata acceleraiei, gradientul n timp alacceleraiei (viteza de aplicare), direcia i sensul acceleraiei i nu n ultimulrnd, mrimea efectiv a acceleraiei. Toate acestea produc asupra corpuluiuman:

-

leziuni mecanice (fracturi ale scheletului, rupturi de organeinterne, tieri sau impunsturi ale unor componente ale corpului);- rniri fiziologice (bradicardia);- afeciuni psiho-fizice (pierderea acuitii vizuale, atenuarea

reaciilor vestibulare, hipoacuzie, etc).Acceleraia liniar se manifest sub forma unui vector care se

deplaseaz, ca i vitezele care-l genereaz, pe o dreapt. Direcia acesteiapoate fi definit ntr-un sistem spaial triortogonal XYZ, comun ca poziionarepentru aviaie i automobile. Astfel se consider direcia x fiind paralel cuaxa longitudinal, sensul pozitiv (+) fiind spre partea din fa a

autovehiculului; direcia y este perpendicular pe x, sensul spre dreapta cndne uitm de deasupra autovehiculului (n aviaie ctre n jos) fiind consideratdrept pozitiv. Direcia z coincide cu verticala, cu sensul pozitiv ctre n sus(ctre cupola automobilului), invers ca n aviaie.

Pentru ocupanii unui autovehicul intereseaz n special acceleraiileliniare care au valori mult mai mari comparativ cu posibilele acceleraiiunghiulare. n schimb acestea devin mari, deci periculoase, n cazul pietonilorlovii de autoturisme: corpul pietonului nu este mpiedicat s se roteasc, iaraplicarea excentric a forei impactului provoac deseori asemenea micri cuviteze relativ mari.

Durata acceleraiei n activitile obinuite poate fi clasat astfel:- acceleraie abrupt, cu durata ntre 0 i 2 secunde;- acceleraie redus ntre 2,1 i 10 secunde;- acceleraie pe termen lung ntre 10,1 i 60 secunde;- acceleraie prelungit, cu durata de peste 60 secunde.n cazul accidentelor rutiere intereseaz acceleraiile care se manifest n

mai puin de 0,2 secunde din momentul nceperii creterii.Pentru c rnirile corpului uman se produc la acceleraii relativ mari, de

zeci de de ori mai mari ca acceleraia gravitaiei (g = 9,81 m/s 2), i pentru c


4/107


etalonarea senzorilor se realizeaz n funcie de aceasta, acceleraiileimpactului se msoar i se exprim n fraciuni de g (de exemplu30 g = 30 9,81 = 294,3 m/s2).

n funcie de tipul impactului apar acceleraii care solicit corpul uman petoate cele tzrei direcii fundamentale, genernd n consecin fore care pot

provoca leziuni grave.

1.1.1.1. Acceleraia longitudinal pozitiv (+ax)

Acceleraia logitudinal pozitiv (+ax) se dezvolt ntre coliziunilefrontale dintre autovehicule sau n impacturile cu obstacole fixe rigide. De

pild, la o coliziune frontal cu viteza de 50 km/h ntre un autoturism i unobstacol fix plat, maina se oprete pe o distan de cca 0,6 m ntr-un timp deaproximativ 90 milisecunde, ceea ce nseamn o acceleraie medie ax de peste15 g. Valorile instantanee depesc ns 150 g pe durate scurte (ctevamilisecunde) influennd uneori esenial severitatea rnirilor. Cele mai

periculoase rniri produse de ax apar la cap, gt i apoi la torace; de asemeninu sunt de neglijat fracturile de bazin i de femur.

Limita de suportabilitate se consider a fi de 1035 g la gradienii de

5001200 g/s, cu o durat de 0,150,42 s.

1.1.1.2. Acceleraia longitudinal negativ (- ax)

Acceleraia longitudinal negativ (-ax) denumit frecvent i acceleraiactre spate, apare n cazul coliziunilor din spate. De regul acestea au loc nintersecii cnd autovehiculul care frneaz sau oprete la semafor este lovitde un altul ca urmare a neateniei oerului. Adeseori coliziunile din spate se

produc cu ocazia carambolajelor de pe autostrzi, pe timp nefavorabil (cea,polei). Dac viteza relativ de impact este suficient de mare apar leziuni careafecteaz zona cervical a coloanei vertebrale prin hiperextensia gtului.

Experiene efectuate pe subieci voluntari au scos n eviden faptul cvalorile periculoase ale acceleraiei (-ax) ncep de la limite de cca 35 g pe

perioade de 0,15 s, la gradieni de 1150 g/s.

1.1.1.3. Acceleraia caudocefal (+ az)

Acceleraia caudocefal se manifest pe vertical, de jos n sus, de pildcnd autovehiculul cade pe roi de pe un drum denivelat. Acest tip deacceleraie caracterizeaz n special ejectarea piloilor militari n caz de


5/107


pericol i de aceea efectele ei au fost studiate i contramsurile au fostaplicate mai ales n domeniul aviaiei (primul brevet al unui scaun ejectabil afost nregistrat i aplicat n Germania n 1941). Leziunile periculoase constaun strivirea prii inferioare a unei vertebre, n mod obinuit n zonele T8T12sau T12L5 [13].

Ca limit admisibil pentru +az poate fi considerat cea impus laejectarea scaunelor piloilor din aviaie i anume, o valoare de 50 g pentru ungradient de 3000 g/s.

1.1.1.4. Acceleraia lateral (+ ay i -ay)Spre deosebire de alte tipuri de coliziuni, n cazul impactului lateral

ocupantul nu se mic n raport cu partea lateral a mainii. Acceleraiilelaterale sunt cu mult mai periculoase dect cele longitudinale i asta datoritvalorilor lor mai mari. Se are n vedere c ocupantul este situat mai aproapede zona de impact dect n orice alt tip de coliziune i n consecin energiacinetic disipat pn la lovire este neglijabil, deci diferena de vitez estemult mai mare. Statistic, rezult c numai 6,5% din accidentele rutiere cuvictime sunt cauzate de coliziuni laterale, iar dintre ele, 23% sunt grave, ntimp ce coliziunile frontale reprezint o pondere de 59%, dintre care ns

numai 9,5% sunt grave.Exist i situaii cnd impactul lateral apare n timpul procesului de

frnare energic, ceea ce face ca acceleraia lateral s creasc i mai mult caurmare a suprapunerii acceleraiei coriollis; n consecin se vor producerniri mai grave.

Experimental s-a stabilit c nivelul de toleran uman corespunde unoracceleraii laterale (msurate la nivelul autovehiculului) de 4,4711,6 g cu odurat de 22090 s.

Cele mai frecvente leziuni se situeaz n zona capului, gtului i pieptului.

1.1.2. Cinematica ocupanilor automobilelor

Ocupantul unui autovehicul implicat ntr-un accident este cel mai adesearnit de componentele interioare ale habitaclului; n acest caz intereseaz nmod deosebit micarea relativ a ocupantului n raport cu autovehiculul. Cutoate c micarea absolut a ocupantului (n raport cu repere din mediulexterior) ar explica modul de producere i gravitatea leziunilor pentruvictimele care se detaeaz de autovehicul - ea este puin relevant pentruconstructorul de automobile, care tocmai trebuie s mpiedice asemenea


6/107


eventuale desprinderi. Din acest motiv cele mai intense preocupri nmsur s furnizeze informaii utile pentru perfecionarea sistemelor desecuritate pasiv sunt axate pe studiul cinematicii ocupanilor n raport cuhabitaclul. Evident, fiecare categorie de coliziuni impune carcteristicicinematice comune, cu manifestri asemntoare relativ la localizarea iseveritatea leziunilor. n consecin, criteriul dup care sunt analizatemicrile ocupanilor ia n considerare n primul rnd tipul coliziunii.

1.1.2.1. Cinematica ocupanilor ntr-o coliziune frontal

Cinematica ocupanilor locurilor din fa depinde de modul de protejare aacestora. Dac sunt lipsii de protecie (nu poart centuri de siguran) existriscul rnirilor foarte grave. Astfel oferul va lovi cu pieptul volanul i cucapul, parbrizul. Ocupantul locului din dreapta va lovi i el cu capul parbrizul.Din cauza nclinrii acestuia capul i gtul ajung n extensie (ndoirea lorctre spate) i compresie, ceea ce provoac fracturarea celei de a douavertebre cervicale similar ca prin spnzurare. Pot apare leziuni alegenunchiului i femurului ca urmare a impactului lor cu plana bordului.Tibia i glezna sunt lezate dac impactul frontal are o uoar componentunghiular.

Dac ocupanii locurilor din fa au o centur de siguran, gravitatealeziunilor se reduce substanial comparativ cu aceeai situaie de coliziunefrontal. ntruct trunchiul este obligat s se deplaseze o dat cu micarea,singurele pri libere sunt capul, gtul i extremitile superioare. Daccentura permite o mic deplasare relativ n raport cu scaunul atunciocupantul ajunge s se deplaseze la o coliziune frontal cu viteza de 50 km/h

pe o distan de cca 0,8 m, pe cnd structura din fa a mainii se deformeazcu cca 0,6 m, ceea ce reduce sensibil acceleraia corpului. Cercetrileexperimentale au scos n eviden faptul c la o coliziune frontal cu viteza de50 km/h, capul se ndreapt ctre nainte pe o distan de 0,50,75 m pn

cnd brbia atinge sternul. Din motive de confort, volanul se amplaseaz cucca 0,4 m n faa pieptului i astfel coliziunea capului cu volanul nu poate fievitat. n consecin, chiar n cazul protejrii exist riscul impactului dintrecap i volan cu producerea unor leziuni cerebrale, ceea ce justific echipareacu air-bag pe partea oferului.

Surprinztor la prima vedere, n cazul coliziunilor frontale, la ocupaniireinui n centuri cu 3 puncte de fixare, s-au evideniat i fracturi ale coloaneivertebrale n zona toracic inferioar i lombar superioar. Studiileexperimentale pe cadavre au confirmat producerea unor asemenea fracturi, pe


7/107


cnd cele efectuate pe manechine antropomorfe au condus la rezultatecontrarii. S-a demonstart c aceste solicitri de comprimare se datoraucurburii zonei toracice a coloanei. Dac partea superioar a trunchiului estereinut de ramura de umr a centurii, zona toracic a coloanei se ndreapt ise rigidizeaz, avnd drept efect comprimarea prii toraco-lombar acoloanei i presarea n sus a gturlui i capului. Deoarece manechinul are ocoloan dreapt i rigid, acest aspect nu poate fi pus n eviden cu ajutorullui.

1.1.2.2. Cinematica ocupanilor n coliziunile unghiularen mod obinuit ocupantul unui autovehicul tinde s se mite inerial

nspre i pe direcia principalei fore a coliziunii. Dac impactul de pild areloc pe partea lateral stnga, fora fiind ndreptat spre interiorul mainii,atunci oferul va tinde s se deplaseze ctre stlpul stnga al parbrizului iarocupantul locului din dreapta, ctre oglinda retrovizoare interioar.

Centurile clasice cu prindere n trei puncte sunt deosebit de utile i ncazul coliziunilor unghiulare, eficiena lor ns fiind bun pn la unghiuri dedeplasare ale trunchiului de cel mult 45 n raport cu direcia longitudinal.

1.1.2.3. Cinematica ocupanilor n colizile laterale

Un sfert din totalul coliziunilor grave i mortale sunt datorate coliziunilorlaterale. Este interesant de remarcat c oferii relativ tineri (2030 ani) suntimplicai mai mult n coliziuni laterale cu obstacole fixe rigide (copaci, stlpi,etc). oferii mai n vrst (peste 50 ani), prin faptul c apreciaaz mai puin

precis vitezele altor maini n intersecii, sunt mai expui coliziunilor lateralecu autovehicule n intersecii.

Ocupantul din partea impactului este lovit direct de portier la nivelulpiptului i pelvisului; mnerul uii ar putea genera leziuni n partea lateral a

abdomenului.Pentru c ocupantul se afl la o distan relativ mic de maina carelovete, diferena de vitez perceput de componenta lovit a corpului estemai mare dect cea care revine mainii.

Periculoase sunt i leziunile capului a cror frecven crete odat cusporirea nlimii vehiculului care lovete sau cu reducerea nlimiivehiculului int; decesele se datoreaz n proporie de 45% leziunilor la cap.

ncercri experimentale [1] constnd ntr-o coliziune lateral laviteza de 50 km/h au evideniat (fig. 1) diferene ntre vitezele de


8/107


deplasare ale portierei (curba 1), mainii care lovete (curba 2), coloaneivertebrale a oferului (curba 3) i mainii lovite (curba 4). Se poateobserva c ocupantul ncepe s se mite cnd deja viteza portierei aajuns la valoarea maxim. Dup 25 ms de la nceputul impactului i pn la50 ms, deci pe o perioad de cca 25 ms se dezvolt cele mai mari acceleraiiasupra oferului, de cca 36 g (o diferen de vitez de 32 km/h n 0,025 s),cnd sunt produse i cele mai grave leziuni. Viteza maxim a oferuluidepete cu cca 30% pe cea a mainii lovite; ambele vlori maxime aparaproximativ simultan, dup cca 50 ms de la nceputul coliziunii.

n afara capului, care este lovit de regul de plafonul autovehiculului, maisunt predispuse la loviri toracele, abdomenul i pelvisul. Leziunile letale aparla esuturile moi i constau n rupturi de ficat i aort. Din cauza deformriitoracelui, la majoritatea victimelor apar fracturi de coaste; cel mai des,

pelvisul este afectat prin fractura osului pubian.

Fig. 1. Evoluia ntr-o coliziune lateral a vitezei portierei (1), mainii carelovete (2), coloanei vertebrale a oferului (3) i mainii int (4).

1.1.2.4. Cinematica ocupanilor ntr-o coliziune din spate

Cnd autovehiculul este lovit din spate, sptarele scaunelor antreneaz nmicare masa ocupanilor, imprimndu-le o diferen de vitez aproapesimilar cu a mainii. Dac sptarele sunt sub nivelul gtului sau dac nu sunt

prevzute cu tetiere, capul trebuie s rmn inerial n urm o perioadrelativ scurt. Astfel are loc o rotaie spre spate a capului ceea ce provoachiperextensia gtului; n continuare capul se rotete ctre n fa provocndflexia gtului, amble rotaii genernd o micare ca un fichi, care poate lezazona cervical a coloanei vertebrale.


9/107


Aceste neajunsuri sunt eliminate dac se prevede o tetier sau se nalsptarul scaunului, mpiedicnd extensia gtului. De multe ori ns sptarulscaunului se deformeaz, caz n care ocupantul tinde s se deplaseze sprespatele mainii, ceea ce reduce sensibil acceleraia. Cercetrile ntreprinse

pn acum susin faptul c deformarea scaunului spre spate este mai eficient,sub aspectul protejrii ocupanilor, dect echiparea cu tetiere.

1.1.2.5. Cinematica ocupanilor n accidente soldate cu rostogolire

Toate studiile ntreprinse converg la o singur concluzie i anume c mult

mai eficient este meninerea ocupanilor n interiorul mainii dectexpulzarea lor n timpul rostogolirii.

Dac ocupantul nu este reinut cu centur de siguran, el nu se roteteodat cu vehiculul, poziiile sale depinznd de acceleraia centripet arostogolirii, dar i de prezena altor pasageri.

Leziunile periculoase se situeaz n zona gtului i pot fi cauzate att delovirile capului cu cupola sau podeaua ct i de impactul lui cu aproape oricesuprafa din interiorul habitaclului (inclusiv ali ocupani). Un alt aspectrelevant este i c leziunile gtului sunt influenate nesemnificativ de duritateacupolei.

Utilizarea centurii de siguran micoreaz sensibil gravitatea leziunilor,cu excepia celor produse n zona capului; de pild indicele de mortalitate ncazul accidentelor cu rostogoliri se situeaz n jurul valorilor de 10% la ceicare nu au purtat centur i de 4% la cei care au purtat-o.

Alte elemente care influeneaz cinematica i severitatea leziunilorocupanilor sunt tipul i mrimea autovehiculului, numrul de rostogoliri,nlimea capotei motorului, diverse particulariti ale deformrii structuriimainii. Dac ocupantul nu este ejectat i dac n timpul rostogolirii mainanu lovete obstacole rigide, aceste tipuri de accident sunt cele mai puin

periculoase; explicaia const n accea c energia cinetic a autovehiculului

este disipat progresiv, pe un timp relativ mare (mult mai mare comparativ cualte tipuri de coliziuni).

Semnificativ este c marea majoritate a rsturnrilor se produc (cca 90%)n afara carosabilului; de asemeni, trebuie menionat i c fiecare rsturnareeste ntr-un fel unic, prin variaiile de teren, deosebirile dintre vehicule, etc.

1.1.3. Cinematica biciclitilor i motociclitilor n coliziuni

Se pot diferenia dou tipuri de accidente cu participarea biciclitilor i


10/107


motociclitilor. O prim categorie de accidente sunt datorate stabilitii redusea acestor vehicule care implic pierderea controlului lor chiar i la miciinabiliti de adaptare la condiiile de trafic ale conductorilor lor. O situaietipic este frnarea n curb, nsoit de patinarea uneia din roi. Dac frnarease efectueaz cu roata din spate se micoreaz reaciunea ce poate fi preluatde ea pe direcie transversal, partea din spate se deplaseaz spre exteriorulcurbei i motocicleta se rstoarn pe partea din interiorul curbei. n finalconductorul nu este lovit de motociclet, care tinde s se deprteze de el spreexteriorul curbei Mai periculoas este frnarea energic cu roata din fa care

provoac virajul ctre exteriorul curbei i proiectarea conductorului pecarosabil nfaa motocicletei care tinde astfel s-l loveasc.

Cealalt categorie de accidente const n coliziuni ale biciclitilor saumotociclitilor cu alte vehicule sau cu obstacole fixe rigide. n asemeneasituaii apar practic dou coliziuni: un prim impact cu vehiculul (sau obstacolfix) n urma cruia are loc o reducere sensibil de vitez nsoit uneori i deschimbri de direcie i un al doilea impact, ce poate fi tot att de periculos,

prin contactul corpului victimei cu drumul sau zone nvecinate lui.ntr-o coliziune motociclet-main, de obicei capul conductorului

lovete autovehiculul ntr-o zon situat deasupra umerilor, iar picioarele se

lovesc de aripile mainii, prile inferioare ale portierelor sau barele deprotecie.

n cazul n care energia cinetic nu se disip suficient n procesulimpactului, conductorul motocicletei va efectua un salt peste main,urmnd ca rnirile severe s se produc prin lovirea cu solul.

1.1.4. Cinematica pietonilor lovii de automobile

Trei sferturi dintre pietonii accidentai sunt lovii de autovehicule rutiere;dintre acetia, 14% sunt izbii de autocamioane, 14% de autobuze i 5% de

motocicliti. Gravitatea rnirii depinde de tipul de autovehicul: numai 3%dintre pietonii lovii de autocamioane sunt omori pe cnd la autoutilitare cumasa pn la 1,5 tone procentajul este de 4%, iar la autocamioane cu masamai mare de 4,5 tone ponderea pietonilor ucii depete 13%.

n majoritatea cazurilor pietonul este lovit cu partea din fa aautovehiculului; iniial este lovit cu bara de protecie unul dintre picioare nzona gambei, la o nlime de cca 0,5 m la care este amplasat bara.ncontinuare pietonul este sltat pe capota motorului, corpul su se roteteuor pn cnd capul, umerii i pieptul lovesc parbrizul sau rama lui.


11/107


Dac viteza de impact este mare, de peste 75 km/h, corpul pietonului maiexecut o rotaie astfel nct capul, umerii sau picioarele pot lovi cupola;

pietonul poate s ajung apoi pe capota portbagajului i s cad n urmaautovehiculului.

n mod obinuit un pieton lovit cu partea frontal a unui autovehicul carefrneaz energic este proiectat naintea locului n care oprete maina. Dupdesprinderea de autovehicul, corpul pietonului este proiectat prin aer (faza de"zbor"), apoi se deplaseaz prin frecare i rostogolire pe carosabil i eventual

pe terenul din vecintate.

ntre viteza de impact Wi, deceleraia frnrii autovehiculului d i distanade proiectare a pietonului s-au evideniat dependene suficient de precise [10],dup cum se prezint n fig. 2.

Dac frecarea ntre mbrcmintea pietonului i carosabil poate ficaracterizat prin coeficieni de cel mult 0,30,4, dup proiectare ajunge sse msoare valori similare coeficientului de aderen a anvelopelor sau chiarmai mari. O exemplificare n acest sens [10] se prezint n fig. 3, din carerezult c indiferent de viteza de impact W i, deceleraia micrii pe carosabila pietonului se situeaz n jurul valorii medii de 6,2 m/s 2 (corespunztor deciunui coeficient de rezisten la naintare de 6,2/9,81 = 0,63). Diferenele mari

dintre valorile menionate se datoreaz consumului energetic aferent ruperiide organe interne, fracturrii membrelor i ruperii mbrcmintei n procesulimpactului cu carosabilul i frecrilor cu acesta. Se poate astfel ajunge ca dincauza provocrii unor rni multiple i grave dar i datorit frnrii moderatede dup impact, maina s se opreasc dup locul proiectrii pietonului.


12/107


Fig. 2. Influena vitezei deimpact Wi i a deceleraiei

frnrii d asupra distanei deproiectare a pietonului Sp.

Fig. 3. Influena vitezei deimpact Wi asupra deceleraiei

dp a alunecrii corpuluipietonului pe carosabil.

Dup impact corpul pietonului nu execut o micare perfect logitudinalparalel cu cea a autovehiculului; de multe ori se constat devieri laterale carepot fi n sensul deplasrii pietonului sau chiar n sens invers. Se pare c oinfluen foarte mare asupra devierii laterale a corpului pietonului o arenclinarea n form de sgeat a prii frontale a autovehiculului. De exemplu,dac pietonul a fost lovit cu partea frontal nainte de a ajunge la mijlocul ei ieste proiectat lateral invers deplasrii sale, se poate conchide cu siguran c

aruncarea lateral a fost provocat de forma de sgeat a prii din fa amainii.Alte elemente importante care provoac proiectarea lateral a pietonului

sunt masa i viteza lui pe direcie transversal; ia natere o componentinerial perpendicular pe direcia forei de impact care amplific astfelnclinarea corespunztoare a forei rezultante. Acest aspect apare clar nfig. 4 n care se prezint rezultatele unor ncercri experimentale cumanechine echivalente unor copii de vrste diferite [3]. Se observ cabaterile transversale de la direcia vehiculului sunt mult mai mari atunci cnd


13/107


au acelai sens cu deplasarea pietonului.ncercri experimentale cu manechine au permis evidenierea traiectoriei

probabile a unui pieton lovit cu partea frontal a unui autoturism (fig. 5) aflatn frnare; succesiunea imaginilor corespund unor viteze de impactcresctoare.

Fig. 4. Deplasarea laterala pietonului pe carosabil.

La viteze de impact relativmici, pn la 10 km/h,manechinul nu a fost urcat pecapota motorului, ci el a fost

numai rsturnat i prbuit pecarosabil (cadrele C1, D1, E1); laviteze mai mici, manechinul alovit cu capul (a) sau cu cotul(b) capota motorului pe parteadin fa a ei (cadrul C) iar apoia fost rsturnat i prbuit(cadrele D2, E2) ca i n cazul

precedent. Pe msura mririivitezei manechinul alunec pe

capot pn ce capul ajunge lanivelul geamului parbriz(cadrele D), apoi este proiectat

pe direcia de naintare; dac nmomentul impactului (a) mane-

chinul era ntors cu faa ctre autoturism, primele care iau contact cucarosabilul sunt picioarele (cadrele E3, F3), iar dac este lovit n partea laterala corpului (b) capul vine primul n contact cu drumul (cadrele Ee, F3, G3).

La viteze mai mari de 40 km/h impactul capului cu parbrizul provoacspargerea acestuia. n fine, la viteze mai mari are loc o rotaie a corpului,

picioarele fiind zvrlite ctre n sus; rotaia este mai intens i ncepe la vitezechiar mai mici n cazul lovirii laterale (b) a manechinului. Nu au fostevideniate modificri semnificative ale micrii manechinului, indiferentdac frnarea a nceput naintea impactului sau imediat dup acesta; nschimb, rezultatele sunt complet diferite cnd frnarea se face cu mult dupmomentul impactului

n prezent exist o multitudine de preocupri privind adaptarea formeiexterioare a autovehiculului i a duritii acesteia astfel nct s provoaceleziuni ct mai uoare pietonilor cu care vin n contact.


14/107


Fig.

5.

Deplasareacapuluiduplovirenfunciedepoziiilepietonului

nmomentulimpactuluiid

evitezadeimpact.


15/107


1.2. BIOMECANICA IMPACTULUI

Biomecanica impactului studiaz mecanismele producerii leziunilor,tolerana corpului uman la diverse tipuri de coliziuni i solicitri mecanice ievaluarea riscului de rnire i a gravitii leziunilor. Prin nelegereamecanismului producerii leziunilor i cunoaterea toleranelor umane lasolicitri generate de impact se pot crea instrumente i metode de protecie aocupanilor i pietonilor. Totodat se pot generaliza criteriile de evaluare asistemelor de siguran.

Primele cercetri organizate de biomecanica impactului dateaz dinprimul rzboi mondial, avnd ca obiect accidentele de aviaie [16]. S-a stabilitcu acel prilej c ansele de supravieuire a pilotului creteau considerabil dacel era protejat prin legturi care nu-i permiteau s vin n contact cucomponentele carlingii i dac aceasta se deforma ct mai puin. Tototdat s-aevideniat c hemoragiile interne se datorau ruperii ficatului ca urmare a

presrii locale a abdomenului cu o cataram a costumului cu care erambrcat.

Experienele privind biomecanica impactului s-au dezvoltat considerabildup cel de al doilea rzboi mondial, cu aplicaii i la coliziunile rutiere.Astfel, nc din1955 se cunoate c acceleraiile de pn la 30 g pe o duratde cel mult 0,5 s erau tolerate chiar dac se mai produceau i leziuni minoreale esuturilor; ncepnd de la 45 g se instalau ns comoia (ocul) ihemoragia ocular.

Dup 1960 cercetrile s-au extins prin utilizarea manechinelor i afilmrii de mare vitez. A fost neles mecanismul producerii leziunilor i s-auelaborat primele studii care evideniau metode de reducere a acceleraiilor iforelor care solicitau corpul uman.

Sisteme de securitate pasiv existau i erau deja aplicate chiar nainte de1960 la automobile. De pild n Suedia n 1960 jumtate din autoturisme erauechipate cu centuri de siguran. Obligaiile legale ns n domeniul proteciei

pasive au aprut n SUA n 1966 cnd a fost creat Biroul Naional alSiguranei pe Autostrad. Cu acest prilej s-au reglementat un set de standardei msuri care impuneau performane minime autovehiculelor legate derezistena la impact. Acete reglementri au fost apoi copiate sau adaptate cumici modificri de toate stale lumii; se poate spune chiar c dup 1970automobilul i-a schimbat nfiarea, noile modele reflectnd din ce n ce maimult grija pentru protecia ocupanilor i pietonilor.

Cea mai mare pondere dintre cei ucii n accidente rutiere [16] revine


16/107


ocupanilor autoturismelor i autoutilitarelor uoare (tab. 1), ceea ce explicpreocuprile intense privind perfecionarea sistemelor de protecie pasiv laacestea. i pietonii sunt reprezentai printr-o pondere relativ mare, motiv

pentru care i sistemele de protecie a lor tind s se dezvolte i s se aplice(bare de protecie telescopice, air-baguri de capot, etc). La fel, ponderea maimare a coliziunilor frontale i laterale (tab. 2) a impus o dezvoltare idiversificare superioare a sitemelor de protecie pasiv pentru ele.

Tabelul 1. Ponderea procentual a diferitelor categorii de utilizatori dedrum ucii n accidente rutiere

Categoria de utilizatori de drumPonderea procentual

[%]Ocupani ai autoturismelor i a autoutilitarelor uoare 3866Pietoni 1636Motocicliti 1020Bicicliti 25Ocupani ai autobuzelor i camioanelor grele 24

Tabelul 2. Ponderea procentual a diverselor categorii de coliziuni

Categorii de coliziuni

Ponderea procentual

[%]Coliziuni frontale 5060Coliziuni laterale 2235Coliziuni din spate 35Rsturnri 815Multiple (carambolaje) 36

1.2.1. Mecanismul producerii leziunilor

n principiu orice parte a corpului uman poate fi lovit n procesul unui

impact, zonele predispuse depinznd de poziia victimei (ca ocupant deautovehicul sau pieton) i de categoria de coliziune. Mecanismul rnirii estecomplex dac se are n vedere comportamentul divers, sub aspectul rigiditii,a diferitelor pri i componente ale corpului uman: scheletul se comportrigid pe cnd trunchiul are un comportament vscoelastic. Pe de alt parteseveritatea leziunilor nu depinde numai de forele de impact ct i dedistribuia lor pe suprafa, periculoase n acest sens fiind rnirile cu

penetrare.Reacia biomecanic a corpului la solicitrile induse de impact const n


17/107


rezistena inerial opus acceleraiilor maselor, rezistena elastic lacomprimarea structurilor rigide (oase) i esuturilor i rezistena vscoas aorganelo moi.

Pentru biomecanica impactului intereseaz mecanismul produceriileziunilor fiecrei structuri sau organ n parte ct i modul n care o categoriede coliziuni influeneaz acest mecanism.

1.2.1.1. Mecanismul producerii leziunilor n zona capului

Cele mai frecvente leziuni ale creerului sunt datorate deplasrii lui n

raport cu suprafaa interioar a craniului i variaiilor de presiune n zonaadiacent impactului i n zona opus acestuia.

n cazul lovirii capului, creerul tinde s se deplaseze inerial [11], [12],micare care este "frnat" de formele neregulate ale circumvoluiunilor i desuprafeele membranelor craniene; n consecin apar deformaii ale creeruluicare conduc la leziuni. Totodat, n zona de impact creerul trebuie s secomprime (fig. 6), iar n locul opus apare o presiune negativ, generatoare decavitaie. Din cauza diferenelor de presiune apar leziuni n masa sau chiarcentrul creerului.

Fig. 6. Formarea diferenelor de presiune n cutia cranianla impact frontal (a) i lateral (b).

Leziunile menionate au fost confirmate ntr-o serie de experieneefectuate prin cderea n cap a unor cadavre. Forele i acceleraiile, msuratela nivelul suprafeei de impact, care implic sau nu leziuni ale creerului se

prezint n fig. 7.Prin lovirea capului cu o suprafa rigid se pot produce fracturi ale

craniului. Frecvent, aceste tipuri de leziuni apar la pasagerii neprotejai caresunt proiectai n afar i vin n contact cu carosabilul. Aproximativ n 70 %din cazurile n care s-a constatat fractura craniului au aprut i comoii. Astanu nseamn c o comoie, fie ea chiar foarte grav, trebuie s fie nsoit i de


18/107


o fractur de craniu sau invers, nu este obligaroriu ca o fractur s aibasociat i o comoie. Prin comoie se nelege pierderea cunotinei post-traumatic ca urmare a implicrii centrilor nervoi ai creerului la care survinetotodat paloarea i o stare general de oc.

Experimental s-a stabilit c magnitudinea acceleraiei nu este directproporional cu efectul contuziv, cea mai mare influen asupra gravitiileziunilor avnd durata impactului.

Capul se comport ca i un corp rigid i de aceea este dificil msurareaacceleraiei lui la impact. n consecin se msoar acceleraia unghiular a

capului (gtului), urmnd ca acceleraia n punctul de impact s se determineprin calcul. Se are n vedere n acest sens c valoarea medie a masei capuluieste de 4,54 kg, iar momentele masice de inerie al lui n raport cu axelesistemului triortogonal sunt: Ixx = 22 10-3 kgm2; Iyy = 24,2 10-3 kgm2; Izz= 15,9 10-3 kgm2.

a bFig. 7. Influena nlimii echivalente de cdere asupra forelor (a) i

acceleraiilor axiale maxime (b) din zona de impact a capului care pot provocaleziuni ale creerului.

Acceleraiile unghiular i liniar ale capului nc nu explic n totalitateleziunile din centrul creerului i din bulbul rahidian, pentru elucidarea lorfiind necesare multiple cercetri experimentale.

1.2.1.2. Mecanismul producerii leziunilor n zona gtului

Modul de producere a leziunilor i localizarea lor depind de micrilecapului i gtului (fig. 8).


19/107


a b c dFig. 8.Micrile capului i gtului: a - flexie; b - extensie;

c - ndoire lateral; d - rotaie.Cele mai periculoase leziuni se produc n zona cervical superioar [7],

mai ales n mbinarea vertebrei atlas cu lobul occipital; asemenea leziuni,chiar cu dizlocarea mbinrii, se produc prin aplicarea unor fore mari caresolicit gtul axial sau care provoac hiperflexii ale gtului.

Dac se dezvolt fore care comprim gtul poate s apar fracturarea ndou sau n patru seciuni ale vertebrei C1.

Ocupanii locurilor din fa neprotejai cu centuri, aflai n situaiacoliziunilor frontale, lovesc cu fruntea i faa parbrizul, ceea ce impliccompresia axial i extensia gtului, din care rezult frecvent fractura

vertebrei C2 (denumit curent i "fractura spnzuratului").Solicitrile de ntindere i de extensie pot provoca leziuni ale esuturilor

moi ale gtului iar durerea care le nsoete este localizat n capsulelefaetelor de articulare ale vertebrelor cervicale; n cazul unor solicitri severese pot produce mici fracturi ale prii anterior-superioare ale sistemuluivertebral sau separarea laturii anterioare a discului de platforma vertebral.

Prin compresie i flexiune (de pild produse de lovituri n cretetulcapului) se pot produce fracturi prin plesnire i dislocri ale faetelorvertebrelor. Acestea provoac rnirea mduvei spinrii, gravitatea leziuniidepinznd de gradul de penetrare n canalul medular. Fracturile de dislocare

ale coloanei cervicale se produc foarte repede dup impact, de regul nprimele 10 ms.

Solicitrile de compresie-extensie sunt nsoite de fracturarea uneia saumai multor componente spinale sau de leziuni simetrice ale pediculelor,faetelor i lamelelor.

ndoirea lateral a gtului este deseori combinat i cu rotaia capului;aceste micri provoac fracturi laterale ale capului vertebral i fracturi ale

prilor posterioare pe o parte a coloanei vertbrale.


20/107


1.2.1.3. Mecanismul lezrii coloanei toraco-lombare

Coliziunile dintre autovehicule nu provoac, dect rareori, leziuni osoaseale coloanei toraco-lombare. Totui, deplasarea vertebrelor cu deformareamduvei pot produce paraplegia sau dureri intense n zona inferioar aspatelui.

Fracturile coloanei toraco-lombare sunt rezultatul comprimrii i extensieiei. Solicitarea de compresie se transmite prin discurile intervertebrale ifaetele articulare, iar prin hiperextensie vrfurile inferioare ale faetelor

superioare ies n afar pe lamela vertebrei de dedesubt.La ocupanii locurilor din spate restricionai de o centur peste abdomen,care nu stau drept pe banchet, apare o fractur tipic a coloanei, denumitcurent i "fractura Chance". ntr-o coliziune frontal, centura de poal, careocup o poziie orizontal, se ridic deasupra crestei osului iliac. n consecintrunchiul flexioneaz n jurul abdomenului (fixat n centur), ceea ce duce laruperea ligamentelor supraspinale i interspinale iar n final are loc crparea

pe orizontal a corpului vertebral, ncepnd de la partea posterioar. Prinatingerea i deformarea mduvei spinrii poate s se instaleze paraplegia [4].

i centruile n trei puncte pot provoca leziuni ale coloanei toraco-lombare.

n coliziunile frontale grave, ramura de umr a centurii reine trunchiul ceeace are drept efect ndreptarea curburii coloanei vertebrale. Se dezvolt astfel ofor de comprimare n coloan care mpinge gtul n sus i partea inferioar atrunchiului n jos. Ca rezultat, apare fractura anterioar de pan a coloaneitoraco-lombare.

Solicitrile mai puin intense ale coloanei genereaz dureri n parteainferioar a spatelui n zonele de mbinare a vertebrelor. Pentru apariiadurerii trebuie s se produc o deforrmare a esuturilor n care ptrundterminaii nervoase. Deformaia trebuie s fie suficient de mare, tiut fiind cfibrele nervoase au un prag de declanare destul de ridicat.

1.2.1.4. Mecanismul lezrii pieptului i abdomenului

Pieptul i abdomenul au un comportament vscoelastic la solicitrilegenerate de coliziunile dintre autovehicule. Cercetrile ntreprinse converg laconcluzia precum c reaciile biomecanice difer n funcie de viteza dedeformare a ansamblului trunchiului sau a fiecrui organ n parte. La viteze deimpact mici protecia contra leziunilor depinde de elasticitatea trunchiului: cuct este mai mare (cu ct crete tolerana la deformaie) cu att va crete idurata reducerii vitezelor, deci acceleraiile i respectiv forele aplicate


21/107


esuturilor se micoreaz. n schimb la viteze mari transferul de energie estelegat de proprietile vscoase ale trunchiului, acestea protejnd organelevitale prin absorbia de energie. Cnd solicitarea se manifest rapid, fora dereacie a structurii vscoase este proporional cu viteza de deformare aesuturilor. n interiorul trunchiului se dezvolt astfel o presiune mare i se

produc leziuni ale organelor interne i vaselor de snge fr fracturareacoastelor. Pentru a compara severitatea rnirilor s-a introdus i definittermenul de toleran la maleabilitate care reprezint proprietatea unui organsau sistem biologic de a absorbi energia de impact fr o compresie

periculoas a lui. De exemplu, cnd un organ plin cu fluid este comprimatncet, o parte important din energie este absorbit de deformarea esuturilorfr ca ele s fie lezate, deci malebilitatea este ridicat. Cnd ns fora esteaplicat rapid, organul nu se poate deforma cu aceeai vitez i apare deci ound de presiune care provoac ruperi de esuturi (prin asta se absoarbeenergia acumulat) fr schimbri de form a structurii.

Acceleraiile aplicate organului intern pot genera fore care s le desprinddin ligamentele de fixare sau chiar s provoace leziuni n interiorul lor. Dinaceste cauze arterele care irig organele sunt solicitate la ntindere, ca de pildntinderea aortei ca urmare a micrii inimii prin comprimarea pieptului; dac

rezistena vasului este depit, aorta se rupe n plan transversal. Altesecionri ale vaselor de snge sunt cauzate de creteri ale presiunii dininteriorul lor peste limita de rezisten. Dac ne referim tot la aort, pot avealoc creteri de presiune ce depesc 1000 mmHg n cazul unor impacturigrave. Dac se menine un asemenea nivel ridicat de presiune pe o perioadmai mare, aceasta se rupe, dar n plan longitudinal. Creterea presiuniisngelui n aorta ascendent sau descendent se poate datora i comprimriiinimii ntre stern i coloana vertebral.

Alte leziuni la nivelul pieptului se localizeaz n plmni. Existposibilitatea fracturrii coastelor care rsucindu-se spre interior perforeaz

plmnii. Se produce umplerea lor cu fluid sau snge (pneumotorax sauhematotorax) i chiar dac sunt umplui parial nceteaz oxigenarea lor, ceeace provoac decesul prin hipoxie (lipsa oxigenului sau prin sufocare cu

propriul snge).Lipsa structurii osoase n zona abdomenului l face mai vulnerabil ca

pieptul. La viteze de impact mari se pot produce leziuni sau ruperi aleficatului sau rinichilor. Dac ficatul este deformat puternic se rup principalelevase hepatice avnd ca rezultat hematoperitoneul.

Sistemele de restricionare a ocupanilor i alte echipamnte de protecie


22/107


urmresc distribuia forelor la structurile cele mai rezistente ale corpului itotodat reduc viteza de contact dintre corp i suprafaa cu care are locimpactul.

Din cele expuse se poate desprinde c accelereia ansamblului corpului nupoate evidenia suficient de precis biomecanica pieptului i abdomenului;severitatea leziunilor ct i tolerana la impact trebuie s ia n consideraie ideformarea corpului. Unii autori atribuie chiar o importan mai mare lezrii

prin compresie dect prin diferen de vitez.Comprersia trunchiului se apreciaz procentual; de pild, dac grosimea

medie anteroposterioar a pieptului este de 22,2 cm, o compresie de 20%reprezint o deformare a grosimii cu 4,44 cm. Experimental s-a stabilit climitele compresiei tolerate de organism sunt invers proporinale cu vitezaimpactului.

1.2.1.5. Leziuni cauzate de folosirea incorect a mijloacelor de proteciepasiv

Centura de siguran poate provoca rniri grave atunci cnd nu estepoziionat corect pe corpul ocupantului; de asemeni poate cauza leziunipasagerilor care prezint o vulnerabilitate crescut la loviri, cum ar fi minorii

sau btrnii.Dac ramura orizontal este plasat prea sus, deasupra zonei pelviene,

centura provoac, n cazul coliziunilor frontale, leziuni prin comprimareaorganelor abdominale. Pe lng comprimarea direct apar i solicitri deforfecare i rsucire, combinaia lor provocnd leziuni la duoden, pancreas ichiar la intestine. De asemeni, pot fi afectate splina i ficatul dac impactul

provoac o comprimare puternic a abdomenului. Totodat, prin presareacenturii asupra pelvisului se mut mai sus centrul de rotaie al torsului (carenormal se afl n zona oldului) ceea ce cauzeaz fracturarea coloaneivertebrale n partea T12L5.

Dac ramura orizontal a centurii nu este strns suficient, trunchiulalunec n jos spre scaun, centura se ridic deasupra pelvisului i provoacleziuni intestinale. O slbire a ramurii dinspre umr a centurii (parteadiagonal) este n msur s produc fracturarea sternului i a coastelor;asemenea fracturi se produc de obicei la btrni.

La ocupanii supraponderali amplasarea ramurii orizontale a centurii de-alungul pelvisului este incomod sau chiar imposibil, pe lng faptul c estesurs de inconfort. n consecin, la un impact frontal apar leziuni ale coloaneivertebrale i ale organelor abdominale, precum ficat, intestine, pancreas.


23/107


Au fost ntreprinse cercetri care au urmrit modul de prindere a centuriila ocupanii mainilor aflate n trafic. S-a constatat cu acest prilej c 16 %dintre ocupanii locurilor din fa aveau ramura centurii fixat sub bra sau nspate, iar 3,3 % montaser o clam sau un cui n interior pentru a meninecentura lejer, netensionat.

Unii conductori auto, de regul cei slabi i scunzi prefer o poziieavansat a capului n raport cu volanul, ceea ce reprezint de asemeni un

pericol. Chiar i pentru o poziionare corect, ca n fig. 9, o coliziune frontalla o vitez de 50 km/h este n msur s provoace, n lipsa airbagului, lovirea

cu capul a volanului; aceasta se produce dup cca 0,090 secunde dinmomentul nceperii deplasrii corpului.

Evident, cu ct capul ocup o poziie mai avansat i rnirile vor fi maigrave i se vor extinde n zona pieptului.

i airbagurile pot genera accidente. Principalul lor el este s ofere oprotecie suplimentar pasagerilor reinui n centuri; n cazul oferilorairbagul are scopul de a elimina rnirea la cap. Dac pasagerul se gseteaproape de airbag n momentul umflrii lui apar leziuni fatale prin lovirea

puternic a gtului i pieptului: umflarea este foarte rapid i poate fiasemuit cu o "explozie" n zona de contact cu componentele corpului uman.

Experimentele efectuate pe cadavre umane mblsmate (pentru a eliminarigiditatea corpului) au evideniat leziuni periculoase n zona cervicalsuperioar a coloanei atunci cnd airbagul ajunge sub brbia subiectului.oferii i pasagerii scunzi sunt i ei expui riscului datorit impactului

pieptului cu textura airbagului, ceea ce provoac deseori fibrilaie ventricularsau leziuni pulmonare. Total contraindicat din motive similare este aezareacopiilor pe scaunele din fa sau amplasarea scaunelor de copii n acestelocuri.

Leziuni mici sau medii apar frecvent la fa sau la nivelul extremitilorsuperioare. Sunt posibile fracturi de antebra, dislocri de degete, leziuni

oculare sau uoare arsuri ale feei sau palmelor.


24/107


Fig. 9. Micarea corpului conductorului auto

susinut corect n centura de siguran.

1.2.2. Tolerana organismului uman solicitat n accidente rutiere

Tolerana uman la solicitri produse de accidente rutiere poate fi evaluatpentru ntreg ansamblul corpului uman sau pentru o component ori organanume predispus a fi afectat n contextul manifestrii unor reacii specificetipului de solicitare.

Alte deosebiri se refer la faptul c gradul de suportabilitate care definetedirect tolerana uman este extrem de variat i nuanat, pornind de la simple

dureri fr urmri de esen pn la ruperi i fracturri de organe i oase carepot pune n pericol viaa.n fine, trebuie precizat c tolerana uman la solicitri mecanice este

influenat capital de vrst, adic de nivelul de vulnerabilitate. Cei maivulnerabili sunt copii i btrnii, dar ei reprezint un segment redus alutilizatorilor de drum. Cercetrile ntreprinse care au ca obiect toleranauman se refer la persoane adulte sntoase cu vrsta sub 65 de ani, careconstituie majoritatea dintre cei accidentai.

Tolerana organismului uman se aprecieaz prin acceleraiile, forele sau


25/107


momentele limit care produc leziuni ori fracturi cu o anumit gravitateacceptat.

1.2.2.1. Acceleraii tolerate de corpul uman

Pentru a studia efectele acceleraiei longitudinale (+ax) asupra ansambluluicorpului uman s-au efectuat experiene cu voluntari protejai de o centur

peste piept, lat de 75 mm i o o centur n form de "V" inverst, legat pesteambele picioare. Acceleraia suportat a fost de 10 g35 g (n funcie desubiectul testat), la o variaie a acceleraiei (gradient) cuprins ntre 500 g/s i

1200 g/s, pentru durate de 0,150,42 secunde. Toi voluntarii umani supuitestelor au acuzat dureri n partea de jos a spatelui dup testare.

Efectele acceleraiei longitudinale negative (-ax) au fost studiate iniial pecimpanzei, orientai cu faa nainte. Acetia au fost supui unor acceleraiicuprinse ntre 40 g i 98 g, n urma crora au rezultat o mare varietate deefecte, ncepnd de la traume superficiale pn la oc, paralizia temporar aunei mini sau chiar a ambelor mini, umflturi abdominale i absena

peristaltismului. Recuperarea a durat de la cteva ore la cteva zile.Alte experiene la (-ax) au fost efectuate pe voluntari umani complet

ncorsetai, avnd numai capul lsat liber. Au fost suportate acceleraii de 32 g

pe o perioad de 0,15 secunde , la o cretere a acceleraiei de 1150 g/s. ntimpul testului subiectul avea pete n vedere i a simit ciupituri la coaste.

O alt serie de experiene au avut drept scop studiul eficienei centurilorde siguran la acceleraii aplicate ntregului corp. S-a constatat cu acest prilejc tolerana la acceleraia ntregului corp se mbuntete pe msura reduceriiduratei de expunere la accelerare. Cercetrile ntreprinse au permis chiarstabilirea unei dependene univoce, sub forma unei funcii, ntre durataexpunerii i deceleraia suportabil, diferen prezentat la scar logaritmicn fig. 10 [5].

n momentul de fa se consider c corpul uman poate tolera o acceleraie

longitudinal de 30 g, dac aceasta este uniform distribuit. Astzi se admiteca acceleraii de 30 g manifestate pe mai puin de 0,5 secunde genereazrniri minore ale esuturilor (n afar de copii i btrni). La 45 g apar semnede comoie (oc) i hemoragie retinal (ocular).

Acceleraiile laterale (+ay; -ay) sunt tolerate mai greu. De pild,experienele efectuate pe voluntari umani au stabilit c acceleraii g y = 6,25 gau provocat "nepenirea" gtului, dureri n olduri i lein; la gy = 9 g s-a

produs o flexiune lateral de 30, considerndu-se c s-a atins nivelul detoleran uman. Dac timpul de expunere crete la 90220 ms pot fi tolerate


26/107


acceleraii laterale ay = 4,4711,6 g, numai 60% din subieci acuzndmanifestri minore.

Fig. 10. Influena timpului de expunere asupra deceleraiei maximetolerat de ntregul corp uman.

O alt serie de cercetri a urmrit evidenierea manifestrilor fiziologice lasubiecii supui unor acceleraii longitudinale. La valori ale acceleraiei de1525 g s-au observat scderea pulsului, stimularea nervului vag,

bradicardia, ncetinirea funciilor corpului; din punct de vedere neurologic,subiecii au prut ameii i euforici.

1.2.2.2. Tolerana aparatului locomotor

Coliziunile severe sunt nsoite frecvent de fracturi ale sistemuluigenunchi-coaps-old. Iniial, pentru studiul toleranei acestei structuri s-aapelat la experiene pe cadavre [13]. n acest scop cadavrele au fost fixate pescaune de autovehicule i li s-au aplicat fore de impact n lungul axeifemuarle. Fora s-a aplicat la nivelul rotulei pe direcia femur-condil. Cutraductori speciali s-au msurat forele din genunchi, femur i old att pentru

piciorul stng ct i cel drept. Asupra oldului drept s-au aplicat fore cuprinsentre 4227 i 17.131 N; oldul stng a fost solicitat de fore cuprinse ntre6229 i 11791 N.

Fracturile de old au aprut la fore de 8454, 11346 i 17131 N.Impactul asupra genunchiului drept a provocat fracturi ale condilului

femural superior pentru fore ntre 4227 i 7342 N, iar femurul a fost fracturatpentru fore ncepnd cu 6674 N. n cazul lovirii genunchiului stng aurezultat fracturi ale capului i gtului femurului la fore de 6229 N. Fracturifemurale supracondilare au aprut la fore de 7341, 10011 i 11791 N. De


27/107


asemeni s-au produs fracturi ale patelei prin lovire cu suprafee plate dure(necptuite) cu fore cuprinse ntre 6674 i 9566 N.

Aceeai metodic de ncercri a fost extins asupra unor voluntari umani,forele fiind aplicate pe aceleai suprafee ca i la cadavre. Au fost toleratefore de 35594449 N, pentru care s-au evideniat dureri minore la fiecaregenunchi.

Dup cum se observ, cercetrile expuse mai sus au studiat numai o parteizolat a corpului i anume, structura genunchi-coaps-old. Experienele pecadavre exclud influenele eventualelor contracii musculare iar cele efectuate

cu voluntari umani nu reflect pe deplin realitatea ntruct lipsesc reaciilepsihologice. De pild, de curnd s-a stabilit c n condiiile unui accident real,fracturarea femurului unui ocupant viu necesit fore de 4 ori mai mari dectcele determinate n testele de laborator. Acesta este i unul din motivele

pentru care standardul american FMVSS208 impune o limit a forei dinfemur la valoarea de 10000 N n cazul impactului frontal cu viteza de 50 km/h(test cu manechine).

Ali cercettori susin c limita maxim de ncrcare a femurului ar fi de7650 N att pentru durate scurte ct i mai lungi, ceea ce s-a dovedit a fi nconcordan cu realitatea pentru durate de 3050 ms. Dac ocul este aplicat

punctual (pe o suprafa relativ mic) s-a constatat c apar fracturi ale rotuleincepnd de la 3200 N.

Fracturi ale membrelor inferioare apar adesea la pietonii lovii frontal demaini. i ocupanii autovehiculelor sunt afectai de rniri ale membrelorinferioare, 38,3 % dintre acestea fiind fracturi. n majoritatea cazurilor sesemnaleaz fracturi ale tibiei, n treimea ei superioar, asemenea leziuni fiind

produse de impactul cu bara de protecie, situat la o aceeai nlime.Pentru stabilirea toleranelor la fracturare s-au efectuat cercetri

experimentale pe cadavre umane. S-au folosit 2 cilindri cu aceeai structurcu a barelor de protecie, unul avnd un diametru de 22 cm iar cellalt, de

14,5 cm. S-au msurat forele de impact asupra tibiei i vitezele de contact abarelor menionate. n general fracturile au aprut la viteze mai mari de 4 m/s(14,4 km/h) i la fore de peste 1000 N.

Impactul cu cilindrul cu diametrul de 14,5 cm, cu o vitez de 7,1 m/s(25,5 km/h) i o for de 4300 N a provocat fracturi de tibie la 50 % dintresubieci. La impactul cu bara de 22 cm, cu viteze de 6,3 m/s (22,6 km/h) ifora de 3300 N, 64 % din rnirile produse au fost moderate i 34% severe.


28/107


1.2.2.3. Tolerana capului

Asupra toleranei la impact a capului s-au efectuat mai multe cercetri,ns, probabil datorit complexitii i interdependenei deosebite a funciilorcreerului nc mai exist ipoteze neconfirmate i contradicii ntre grupuri decercettori.

Pentru a arta importana prezentat de leziunile asupra capului estesuficient doar s amintim c 45 % din accidentaii mortal pe osele provin dincei care au suferit leziuni la nivelul capului.

Mrimea msurat sau calculat la nivelul capului este acceleraia i nconsecin este logic ca tolerana la leziuni s se exprime n funcie de aceastacceleraie.

Drept element de referin pentru tolerana capului poate fi consideratcurba de Toleran Wayne State (CTWS) elaborat de Lissner n 1960 pe

baza experienelor pe cadavre umane, completat apoi n 1965 de Patrik [18]prin adugirea de date obinute pe voluntari umani i animale (fig. 11-1) i nfinal modificat i acceptat actual n urma experimemntrii pe primate(fig. 11-2) [15]. Acceleraiile situate dedesubtul curbei sunt tolerate deorganism, curba limitnd valorile maxime.

Leziunile la cap pot apare fie prin impactul direct cu un corp dur saudatorit flexiunii sau extensiei lui mpreun cu gtul cu acceleraii unghiularemari. n acest caz s-a stabilit o limit a toleranei la acceleraia unghiular, de4500 radiani/s2.

S-au efectuat experiene pe cadavre, impactul capului fiind nregistrat cuaparatur optic de mare vitez (1000 cadre pe secund i mai mult). Pentruevaluarea caracteristicilor impactului s-au montat accelerometre n occiput.Valorile acceleraiei i respectiv durata de manifestare a ei, pentru care auaprut fracturi de craniu se prezint n tab. 3.


29/107


Fig. 11.Curba de toleran WayneState pentru zona capului:

1 - varianta 1965;

2 - varianta actual.

Tabelul 3. Valori ale acceleraiei i timpului de manifestare a ei pentru cares-au produs fracturi craniene

Acceleraia [xg] Tipul de manifestare a acceleraiei [s]337 0,01125555 0,00903644 0,00488724 0,00338

Alte ncercri experimentale, tot pe cadavre umane, au urmritdeterminarea condiiilor de impact pentru care capul uman poate susine olovitur fr a fi fracturat. n acest scop cadavrele au fost aruncate n cap pe o

plac de oel de 140 kg, de la o nlime de pn la 0,91 m. S-a constatat capar fracturi de la o nlime de cdere de 0,71 m, la viteze de impact de 12

m/s, i acceleraii efective de 112 g aplicate pe o durat de 4 ms. n consecins-a convenit c o acceleraie de 80 g aplicat pe o durat de cel mult 3 ms ar fivalorile limit pentru care capul neprotejat poate susine un impact fr aapare manifestri periculoase permanente.

Cea mai slab parte a scheletului uman, din punct de vedere a rezisteneimecanice, este structura osoas a feei. Tolerana acestor oase la impact s-adeterminat cu ajutorul unui pendul care lovea figura cadavrului cu diverseviteze i n locuri diferite. S-au determinat limitele biomecanice ale structuriiosoase i esuturilor moi ale feei; acestea difer valoric esenial n funcie de


30/107


osul sau mai curnd zona feei supus ocului Ca o prim constatare seremarc rezistena biomecanic mai mic a oaselor feei comparativ cu celeale cutiei craniene. Este drept ns c leziunile feei sunt rareori periculoase idin acest motiv nu s-au elaborat criterii speciale pentru aprecierea

probabilitii producerii lor.Toleranele cele mai mari caracterizeaz regiunea frontal e feei, pentru

care fracturile apar la fore de 6270 N; n regiunea zigomatic ele se produc lafora de 9001400 N. Alte structuri osoase se fractureaz de pild ncepndde la 670 N - pentru maxilarul superior, 1700 N - pentru maxilarul inferior

sau 1300 N - pentru nas.S-a stabilit totodat c esuturile cutanate ale feei sunt afectate de leziuni

ncepnd de la presiuni de contact de 270350 N/mm 2, mrimea acestoradepinznd de zona i direcia aplicrii forei. Existena esuturilor adipoasesubcutanate crete rezistena de impact a suprafeei feei; contrar toleraneioaselor, aceasta se mrete odat cu vrsta.

1.2.2.4. Tolerana gtului

Gtul uman conine coloana cervical, osul hioid i pachete de muchi.Multe din cercetrile privind biomecanica gtului s-au ntreptruns cu

cercetrile care urmreau tolerana capului.S-au ntreprins cercetri pe voluntari umani instalai pe un accelerator

orizontal. Ei au fost astfel imobilizai nct structura cap-gt s se mite i sfie supus accelerrii. Fiecare dintre voluntari a renunat la experiment cnd a

perceput c nivelul a devenit insuportabil. S-a considerat c atingerea uneivalori de 4,78 g nregistrat la nivelul gurii reprezint pragul de toleran,avnd ca efect uoare tensiuni cervicale.


31/107


Reacia coloanei cervi-cale a fost studiatmsurnd rotaia capului nraport cu trunchiul nfuncie de momentul aplicatfa de condilii occipitali.Experienele s-au desfuratcu voluntari umani - pentrustabilirea solicitrilor supor-

tabile - i pe cadavre -pentru evidenierea leziu-nilor pe coloana cervical[7], [19]. Rezultatelecercetrilor se prezint nfig. 12 - pentru cazul flexieigtului, n fig. 13 - pentru

Fig. 12. Tolerana gtului la flexie.

cazul extensiei gtului i n fig. 14 - pentru ndoirea lateral a gtului. Depild, durerea se instaleaz n situaia flexiei la un moment de 61 Nm, la 31Nm n situaia extensiei i la 41 Nm n situaia ndoirii laterale.

Cele mai mari valoriale momentelor iunghiurilor sunt asociateflexiei, la care nu s-ausemnalat leziuni aleligamentelor, vertebrelorsau mduvei pn lamomente de 190 Nm; potaprea ns leziunimusculare severe ncepnd

de la 88 Nm. Extensia estemai periculoas ntructmomentul la care seinstaleaz durerea (31 Nm)sau apare pragul de vtma-

Fig. 13. Tolerana gtului la extensie.

re (57 Nm) sunt sensibil mai mici comparativ cu flexia. n cazul ndoiriilaterale nivelele de vtmare sunt mai reduse (54 Nm), avndu-se n vedere ivaloarea de numai 40 a unghiului de rotaie a capului.


32/107


33/107


ntlnesc rar n cazul accidentelor de circulaie. Cnd ns se produc suntsuficient de grave, soldate frecvent cu paraplegii.

Rezistena scheletului toracic este influenat esenial de vrst; pentruvrste medii se pot admite limite tolerate (fracturi a cel mult 4 coaste) fore decca 6000 N, ce pot genera compresii de cel mult 20 %.

1.2.2.6. Tolerana pieptului i abdomenului

Fie c este reinut de centura de siguran, fie c lovete volanul, pieptulse comprim i ntinde aorta de-a lungul axei sale, ceea ce poate provoca

leziuni grave. Una dintre cile de apreciere a toleranei umane const nmsurarea grosimii pieptului n procesul impactului. Dac se are n vedere cgrosimea medie a pieptului (anteroposterior) este de cca 22 cm, o deformarede 4,4 cm pe aceast direcie reprezint o compresie de 20 %. Voluntariiumani supui unor compresii antero-posterioare aasupra pieptului au toleratcompresii de pn la 20 % dac timpul aplicrii era moderat; totodat s-astabilit reversibilitatea compresiei, adic revenirea se realiza fr compresiiremanente. Experienele pe cadavre au scos n eviden c la nivele decompresie mai mari de 20 % apar fracturile coastelor, iar ncepnd de lacompresii de 40 % se produc i leziuni ale organelor din interiorul pieptului

(plmni, splin). S-a stabilit o toleran acceptabil corespunztoare unorcompresii de 8,8 cm (39 %) pentru leziuni moderate, dar vindecabile. Alicercettori consider c o tolerande 32 % ar fi suficient pentru a permitecoastelor s-i exercite funcia de protecie pentru organele interne.

Compresia tolerat depinde de viteza de deformare a toracelui [4]. Cu ctviteza de deformare se mrete, scade compresia tolerat (fig. 15). La vitezemici de deformare, de pild la 3 m/s, limita toleranei este determinat de

posibilitatea producerii de leziuni prin ruperi mecanice pe cnd la viteze maimari tolerana depinde de rspunsul vscos al pieptului. S-a evideniattotodat c efectul vscos maxim apare nainte cu 1520 ms dect maximul

compresiei; experienele pe cadavre au evideniat c maximul efectului vscoscoincide cu iniierea leziunilor coastelor. La viteze de deformare mici, pieptuluman poate suporta compresii de pn la 35 %.

Tolerana pieptului poate fi evaluat i prin acceleraiile ori forelesuportate. De pild, un pasager prins cu centura, cu masa corpului de 70 kg,este acionat de o for de inerie de 44 KN la o deceleraie de 60 g; el poatesuporta o asemenea ncrcare numai dac fora se distribuie raional lacomponentele rezistente ale scheletului. Totodat, o asemenea ncrcare estetolerat dac se menine mai puin de 25 ms.


34/107


n situaia impactului pieptului cu volanul, se accept 11 KN.Alte ncercri au demonstrat c n cazul coliziunilor frontale, ficatul este

unul dintre organele vitale puternic solicitate. S-au urmrit coliziuni cubarier fix la viteze de 520 ms i s-a vzut c la o compresie de cel mult16 %, tolerat uor de viteze reduse, gravitatea leziunii crete cu vitezadeformrii. Astfel, la limitele superioare de vitez se ajungea la leziuni foartegrave.

Fig. 15. Compresiile tolerateale pieptului n funcie deviteza de deformare a lui.

1.2.3. Evaluarea riscului de rnire i a severitii leziunilor

Dup cum rezult i din cele prezentate anterior, tolerana organismuluiuman la solicitrile generate de accidentele rutiere are o structur complex

prin multitudinea factorilor i mrimilor de care este influenat. Ea depinden mare msur de valorile forelor i momentelor aplicate, de direcia isensul lor, dar i de componenta corpului afectat, de masa acesteia, derigiditatea ei (osoas sau vsco-elastic), de sex sau vrst. De asemenea,

tolerana organismului trebuie privit n strns legtur cu severitatealeziunilor, cu posibilitatea vindecrii lor, sau cu sechelele asociate care impunincapaciti definitive de manifestare a unor simuri sau funcii cinematice.Aa cum a fost prezentat anterior, tolerana organismului se refer la acelesolicitri aflate la pragul de rnire (AIS 2) i a cror urmri nu necesitneaprat ngrijiri medicale. n concluzie, tolerana organismului trebuiedefinit n raport cu principalele mrimi de referin de care depinde, ceea ceconduce la formularea de criterii specifice. S-au stabilit deja criterii detoleran pentru componentele importante ale corpului, precum cap, gt,


35/107


torace, abdomen, bazin sau membre inferioare. Continu s se extindintroducerea de noi mrimi de influen care apropie i mai mult evaluareacriterial de realitate.

Se pot imagina o mulime de sisteme de protecie pasiv, fiecare avndns un anume cost de implementare. Este logic s se aplice acele mijloace imetode care s atenueze sau s elimine riscurile frecvente, cu pondere mare nafectarea sntii. n consecin, pe lng buna cunoatere a toleraneiorganismului uman, trebuie evaluat riscul de rnire pe o anumit scar deseveritate a leziunilor.

Oamenii reacioneaz divers la solicitri mecanice, ceea ce implicdiferene relativ mari ntre valorile forelor sau momentelor care provoac oaceeai gravitate a leziunilor. Din acest motiv, ct i pentru a imprimarigurozitate tiinific prin reproductibilitatea rezultatelor, criteriile deapreciere a toleranelor se determin prin msurtori pe manechineantropomorfe, asemntoare constituiei, conformaiei i dimensiunilorcorpului uman.

Riscul de rnire se evalueaz prin probabilitatea p de producere aleziunilor de o anumit gravitate. Probabilitatea se exprim printr-o funciesignoid de tipul:

( )[ ] 1xexp1p += (1)

n care i sunt nite coeficieni care depind de tipul solicitrii iseveritatea rnirii, iar x reprezint valoarea indicelui criteriului de toleran.

1.2.3.1. Criterii de evaluare a riscului rnirii capului

Fiecare dintre componentele organismului manifest o anume sensibilitatei toleran la solicitrile mecanice generate de accidente rutiere i de aceeacriteriile de evaluare a modului n care este afectat sntatea se refer la acea

parte structural a corpului.Criteriile se exprim prin indici definii cu relaii matematice ntre

principalele mrimi care influeneaz rnirea. Asemenea criterii au aprutrelativ recent, dup 1960, cnd au luat amploare i cercetrile privindsigurana pasiv. Se pare c n momentul de fa majoritatea criteriilor au o

bun fundamentare experimental, ns nu este exclus ca n viitor coninutullor s fie extins cu noi influene care s mreasc pe de o parte aria deaplicare, iar pe de alt parte, s le apropie mai mult de realitate.

Pentru severitatea rnirii capului s-a utilizat iniial (1966) indicele degravitate Gadd (GSI) [8]. S-a pornit de la faptul c funcia de toleran


36/107


Wayne State transpus n coordonate logaritmice ia forma unei drepte cupanta de -2,5. n consecin, Gadd [9] a exprimat indicele GSI prin relaia:

=2

1

t

t

5,2 dtamaxGSI (2)

n care a reprezint deceleraia instantanee a capului (raportat la acceleraiagravitaiei g), iar t1 i t2 - limitele intervalului de timp (de cel mult 15 ms) pecare se consider evoluia lui a. S-a constatat c dac GSI depete valoareade 1000 exist riscul producerii unor leziuni grave.

n 1970 Versace a propus criteriul leziunilor capului HIC (head injurycriteria) utilizat cu mici modificri i astzi. Acesta este exprimat prin relaia:

( )12

5,2t

t12

ttdtatt

1maxHIC

2

1

= (3)

n care t1 i t2 sunt limitele intervalului considerat, iar a reprezint deceleraiainstantanee rezultant a celor trei direcii fundamentale, msurat n centrulcapului manechinului i raportat la acceleraia gravitaiei:

( )5,02

z2y

2x aaaa ++= (4)

ntr-o aceeai coliziune, valoarea indicelui HIC depinde de mrimeadiferenei t2 - t1 i situarea ei n procesul variaiei lui a. Pentru evaluarea efici-enei airbag-ului seapreciaz un interval similarde timp, aa c se considert2 - t1 = 36 ms, indicele fiindnotat cu HIC36 [6]. Riscul defracturare a oaselor cutiei

craniene se refer ns laun interval de timp mai micde 15 ms i se noteazcu HIC15. Din cauzaduratelor reduse pe careevolueaz cele mai marideceleraii, la o severitateidentic a fracturilor


37/107


craniene, HIC15 < HIC36.Corespondena dintre HIC15i HIC36 se prezint, pentruaduli de statur medie, nfig. 16.

La manechine din gama

Fig. 16. Comparaie ntre indiciicriteriilor de leziune a capuluipentru intervale de timp de

15 i 35 ms.

Hybrid III echivalente vrstelor de cel puin 6 ani, indiferent de statur sausex, se accept ca limit a toleranei HIC15 =700; pentru cele echivalentecopiilor de 3 ani HIC15 = 570, iar pentru cei cu vrsta sub 1 an, HIC15 =390.

Probabilitatea de rnire cu AIS 2(limita de fracturare a craniului) se

poate determina cu relaia (1) n carex = HIC15 iar ceilali coeficieni auvalorile x = 2,048 i = 0,0017.Aceeai probabilitate [6] se poatecalcula i cu relaia:

( )

=HICln

Np (5)

n care N reprezint distribuianormal cumulativ iar coeficienii i au valorile: = 6,96352; = 0,84664. Aplicnd relaii de tip(1) cu coeficienii adecvai diverselornivele de gravitate se obin curbeledin fig. 17 ilustrnd influena HICasupra severitii rnirilor, nintervalul AIS = 16.

Fig. 17. Probabilitatea rnirii capuluicu diferite nivele de severitate n

funcie de indicele HIC.

1.2.3.2. Riscul rnirii gtului

Severitatea leziunilor gtului [6] se evalueaz prin indicele NIJ (nekinjury criteria), definit de relaia:

i

y

i

z

M

M

F

FNIJ += (6)

n care Fz este fora axial dezvoltat dealungul gtului, Fi - fora axial criticacceptat, My - momentul de flexiune (sau extensie) aplicat gtului n raport


38/107


cu condilii occipitali i Mi - momentul critic acceptat (flexiune sau extensie).Valorile lui Fi i Mi se dau n tab. 4.

Indiferent de mrimea manechinului, pentru o severitate caracterizat prinAIS = 2, se accept o valoare de cel mult NIJ = 1.

Probabilitatea rnirii cu o anumit severitate se calculeaz n funcie deNIJ rezultat din expresia (6), cu relaia:

( )[ ] 1NIJe1p += (7)

n care coeficienii i se dau n tab. 5.

Tabelul 4. Tolerane i momete critice pentru determinarea indicelui NIJ nfuncie de tipul de manechin echivalent corpului uman

Tipul manechinului(echivalent)

Fora Fi [N] Momentul Mi [Nm]ntindere Compresie Flexiune Extensie

CRABI (copil sub 1 an) 1465 1465 43 17Hybrid III (copil de 3 ani) 2120 2120 68 27Hybrid III (copil de 6 ani) 2800 2800 93 39Hybrid III

(femei de mrime medie)3370 3370 155 62

Hybrid III(brbai cu statur medie)

4500 4500 310 125

Hybrid III(brbai de statur mare)

5440 5440 415 166

Tabelul 5. Valorile coeficienilor i Severitatea AIS

AIS 2 2,054 1,195AIS 3 3,227 1,969

AIS 4 3,693 1,195AIS 5 3,817 1,195

Influena indicelui NIJ asupra probabilitii lezrii gtului cu o anumitgravitate se prezint n fig. 18.


39/107


Fig. 18. Influena indicelui NIJ asupra probabilitii de rnire a gtului cudiverse nivele de severitate.

1.2.3.3. Probabilitatea lezrii toracelui

Gravitatea rnirii toracelui se apreciaz diferit, n funcie de direcia sub

care acioneaz fora n raport cu planul umerilor. De pild, n cazulcoliziunilor laterale solicitarea se manifest n planul umerilor, reaciatoracelui fiind una vsco-elastic. Pragul tolerat se determin cu aanumitulcriteriu vscos [10], cu ajutorul indicelui CV definit cu relaia:

=dt

dD

140,0

DmaxCV (8)

n care D reprezint deformarea procentual a toracelui n planul umerilor, iardD/dt - viteza de deformare a toracelui.

Indiferent de mrimea manechinului, se accept, pentru AIS 2 valoarea

maxim CV = 1.n coliziunile frontale solicitarea se manifest perpendicular pe planul

umerilor, la comprimarea toracelui opunndu-se structura osoas a sternului icoastelor. n asemenea situaie rspunsul vscos la viteza deformrii este mai

puin semnificativ dect aciunea forei generat de deceleraia opririi. nconsecin se apeleaz la un alt criteriu care ia n consideraie, pe lngdeformarea toracelui i deceleraia sa maxim. Severitatea rnirii se determincu indicele toracic combinat CTI (Combined Thoracic Index) definit [6] deexpresia:


40/107


i

max

i

max

D

D

A

ACTI += (9)

n care Amax este valoarea maxim a deceleraiei toracelui din timpulcoliziunii, Dmax - deformaia maxim antero-posterioar, Ai - deceleraiacritic acceptat i Di - deformaia critic admis.

Valorile lui Ai i Di se indic n tab. 6 n funcie de mrimea manechinuluiechivalent cu care se efectueaz determinrile.

Tabelul 6. Valorile acceptabile ale lui A i i Di n funcie de tipul

manechinului Hzbrid III

Valori acceptate aleacceleraiei i

deformaiei toracelui

Tipuri de manechine

Brbaicu stat.mare

Brbaicu stat.medie

Femeicu stat.medie

Copilde

6 ani

Copilde

3 ani

Copilde

1 an

Acceleraia pieptului (g) 55 60 60 60 55 50Deformaia antero-

posterioar a pieptului[mm]

70 63 52 40 34 30

Probabilitatea rnirii cu un anume nivel AIS de severitate se calculeaz cuo relaie de tipul (1):

- pentru AIS 2, ( )[ ] 1CTI036,6847,4exp1p += (10)





41/107


Influena indicelui CTI asupraprobabilitii lezrii toracelui cu oanumit severitate pe scara AIS se

prezint n fig. 19.Un alt criteriu prin care se pot

aprecia riscuri de lezare a toracelui sebazeaz pe viteza de comprimare atoracelui n regiunea sternului.Probabilitatea lezrii toracelui n

funcie de viteza de comprimare esteilustrat n fig. 20.

Fig. 19. Probabilitatea lezrii toraceluin funcie de CTI

Fig. 20.Probabilitatea lezriitoracelui n funcie

de vitezacomprimrii n

regiunea sternului.

1.2.3.4. Riscul rnirii membrelor inferioare

ocul coliziunii poate provoca fracturi ale oaselor aparatului locomotor,cele mai grave situndu-se la nivelul femurului i tibiei.

Criteriul care poate evalua fracturarea femurului const n evideniereaforei axiale dezvoltate n acesta. n funcie de fora axial F din femur sedetermin riscul de accident [6] prin exprimarea probabilitii la lezare a unui


42/107


anumit nivel de severitate. n acest scop se utilizeaz relaia:

( )[ ] 1F5196,0795,5exp1p += (14)

valabil pentru o severitatea rnirii caracterizat prinAIS = 2.

Influena forei F asupraprobabilitii de fracturarea femurului se prezint n

fig. 21.

Fig. 21. Influena forei axiale din femurasupra probabilitii de fracturare pentru o

severitate corespunztoare AIS 2.

1.2.4. Modele n biomecanica impactului

Construcia de sisteme i perfecionarea metodicilor destinate protecieipasive necesit studii complexe privind comportamentul mecanic al corpuluiuman, evaluarea toleranei i riscului de rnire i mecanismul produceriileziunilor. Datele furnizate de accidentele reale nu pot fi utile dect n micmsur domeniului realizrii sistemelor pasive i asta pentru c nu coninmsurtori ale mrimilor cinematice i dinamice din momentele impactului.

Ele devin importante ns cnd se asociaz cu rezultatele unor asemeneamsurtori reieite din studii pe diferite modele ale corpului uman, precumvoluntari umani, cadavre umane, animale vii i moarte, modele mecanice(manechine) i modele matematice.

1.2.4.1. Voluntari umani

Primele experiene cu voluntari umani s-au efectuat n SUA n anul 1954[3] la baza aerian Holloman (New Mexico). Un militar a fost aezat pe osanie propulsat de o rachet, care a fost oprit de la viteza de 1000 km/h n


43/107


timpul de 1,4 secunde. Subiectul a suportat relativ bine ncercarea, fr armne cu nici un fel de sechele, cu toate c a fost supus la o deceleraiemaxim instantanee de 40 g (valoarea medie fiind de 20 g). Menionm caceast valoare este aproape dubl ca a acceleraiei maxime ce senregistreaz la oprirea unui autoturism care se ciocnete frontal cu o barierfix la viteza de 30 km/h.

Voluntarii umani pot fi folosii doar n experimentri cu grad depericulozitate redus, admindu-se cel mult un anume nivel al durerilorinstantanee. Testele cu voluntari umani sunt strict limitate de regulamente

precise din motive lesne de neles.Principalul avantaj al testelor cu voluntari umani este faptul c se poate

evalua influena tonusului muscular asupra toleranei la leziuni i se poatestudia reacia dinamic a esuturilor moi (organe interne). Asemenea cercetri

permit totdat extragerea unor rezultate necesare perfecionrii modelelormecanice i matematice.

De regul ns subiecii umani sunt voluntari militari, deci oameni tineri,bine antrenai fizic, deci cu tolerane mai ridicate la durere comparativ cufemeile, copii sau btrnii; din aceste motive testele nu reflectcomportamentul acestor categorii de persoane.

1.2.4.2. Cadavre umane

Cadavrul uman reproduce cel mai fidel antropologia corpului viu; pe dealt parte i proprietile structurii osoase sunt similare. Diferenele suntlegate de comportamentul esuturilor moi care depind sensibil de tehnicile de

pregtire i de timpul scurs de la deces. Pentru a ameliora asemenea deosebiriplmnii se umplu n perioada testrii iar presiunea sangvin se reface printr-un sistem adecvat de transfuzie a unui lichid.

Avantajul esenial al utilizrii cadavrelor este c reproduc cu cea mai marefidelitate forele i momentele care provoac fracturi ale oaselor n special n

cazul duratelor reduse n care se manifest acceleraiile mari; la durate maimari rezultatele pot fi incerte din caza lipsei tonusului muscular prin care se

preia o parte din solicitare.Testele pe cadavre nu au avut niciodat ca obiect studiul lezrii esuturilor

moi, caracteristicile vsco-elastice diferind esenial de esuturile vii. Totodatexperienele pe cadavre nu pot evidenia reaciile psihologice.

n fine,majoritatea cadavrelor utilizate au o vrst naintat pentru carerezistena osoas se diminueaz, iar unele componente sunt atrofiate. Aadardatele ce se pot obine nu sunt reprezentative pentru toat populaia.


44/107


Trebuie manionat, ca n cazul anterior, c testele cu cadavre sunt i elestrict restricionate de regulamente.

1.2.4.3. Animale

Deocamdat, se pare c singura cale de a obine rezultate apropiate decomportamentul la leziuni a esuturilor moi ale capului uman viu pot fifurnizate de testri pe animale. La nceput Forele Aeriene ale SUA au folosituri, dar numai pentru o perioad scurt de timp din cauza dificultilor legatede manipularea lor ct i datorit diferenelor anatomice fa de organismul

uman. Pentru testele de siguran pasiv la automobile s-au utilizat i nc sefolosesc babuinii, ntruct anatomia loe este aproape identic cu a omului; sefolosesc i porcii, care au o constituie similar a organelor interne vitale (cade pild inima).

Cercetrile pe animale pot furniza i informaii valoroase n legtur cureaciile psihologice sau referitor la valorile sarcinilor care solicit creierulsau coloana vertebral.

Testele pe animale sunt de nenlocuit n studierea leziunilor difuze alemateriei albe a creierului care pot fi evideniate numai la organismul viu icare reprezint cele mai importante leziuni ale capului pentru c sunt

ireversibile i provoac disfuncionaliti. Prima oar asemenea leziuni au fostpuse n eviden n 1990 pe creierul unui cine, iar astzi se studiaz peobolani sau pe porci.

Cu toate c animalele participante la teste sunt anesteziate, cercetrile suntrestricionate sua chiar interzise n majoritatea statelor.

1.2.4.4. Manechini; exemple: modele fizice i modele virtuale

Modelele mecanice, numite curent i manechine sunt astfel realizate ncts reproduc ct mai fidel (s fie bio-fidele) forma, masele, rigiditatea,

absorbia energiei i micrile relative ale componentelor corpului uman;pentru c au caracteristici umane, sunt denumite frecvent manechineantropomorfe. Manechinele au schelet propriu din metal sau din materiale

plastice i sunt confecionate din spume uretanice i acoperite de materialecare imit pielea.

Manechinele nu reproduc neaprat n totalitate componena corpuluiuman, complexitatea lor fiind adecvat scopului ncercrii. Dup gradul deechipare manechinele se clasific n trei categorii:

- manechine complete care conin toate componentele corpului


45/107


uman i care se folosesc la testarea ntregului ansamblu alautovehiculului sau numai a unei pri din el;

- blocuri care reproduc fidel una din componentele corpului cum arfi manechinul pieptului sau capului i care se utilizeaz la testareasubsistemelor autovehiculului;

- construcii mecanice care nu respect neaprat conformaia uman,dar care pot fi folosite la testarea cptuelilor interioare etc.

Manechinele conin senzori pentru msurarea i nregistrarea, n regiuni ncare corpul uman este susceptibil de a fi rnit n accidente rutiere,

acceleraaiilor, presiunilor i forelor dezvoltate n timpul impactului.Modelele mecanice sunt destinate testelor de omologare a vehiculelor nou

construite prin care se apreciaz nivelul lor de siguran; se urmrete astfels se vad dac rezultatele msurtorilor se ncadreaz sau nu n limiteleimpuse de standardele n vigoare. Pentru c asemenea testri pot avea urmrieconomice deosebite pentru proiectantul i realizatorul automobilului,manechinul trebuie astfel construit i echipat nct s ofere reproductibilitatearezultatelor msurtorilor n cazul unor ncercri similare sau n situaianlocuirii lui cu unul asemntor.

Uneori manechinul se utilizeaz i pentru reconstituirea unor accidente

reale, cnd nu s-au putut stabili cu certitudine condiiile iniiale.Modelele mecanice trebuie s aproximeze ct mai fidel reacia uman

pentru o variatate de severiti ale impactului cuprinznd tot domeniul de laleziuni uoare la leziuni fatale.

Cel mai complex manechin pentru impactul frontal este Hybrid III [17].El se realizeaz n mai multe mrimi care sugereaz statura corpului uman.Alte manechine echivalente adulilor de mrimi mici i mijlocii sunt destinatestudierii impactului lateral.

Mrimile manechinelor Hybrid III au fost stabilite n funcie de nlimeai masa unor categorii reprezentative de persoane, exemple n acest sens fiind

prezentate n tab. 7.Tabelul 7. nlimile i greutile medii ale unor categorii de oameni cu

staturi i sex diferite

Categoriireprezentative de

persoane iponderea lor

numeric

nlimea total[cm]

nlimea npoziia ezut

cm]

Masa[kg]


46/107


1 % femei 145 72 375 % femei 150 75 4195 % brbai 185 93 10299 % brbai 190 96 107

Procentul din dreptul unei categorii semnific faptul c o asemeneavaloare din totalul populaiei are dimensiunile mai mici dect cele expuse nalte coloane. De pild 5 % femei reprezint faptul c 5 % din totalul

populaiei feminine are nlimea mai mic de 150 cm i masa sub 41 kg, sau95% brbai nseamn c 95 % din populaia de sex masculin are nlimea

mai mic de 185 cm i masa sub 102 kg.Manechinele Hybrid III au fost realizate n 3 variante dimensionale pentru

aduli (5 %, 50 % i 95 %) i 2 pentru copii (3 ani i 6 ani); pentru copii maimici de 1 an a fost realizat manechinul CRABI.

La adoptarea acestor dimensiuni ale manechinelor s-au avut n vedere ipoziiile ocupate de oferii de diverse staturi [2]. n acest scop s-au analizatpoziiile ocupate la volan a unui numr mare de oferi de vrste, sex i staturidiferite, folosind tehnici de nregistrare video a lor n traficul real. n urma

prelucrrii acestor observaii au rezultat poziiile medii ale celor trei categoriireprezentative (5 %, 50 % i 95 %), dup cum se prezint n fig. 22.

Fig. 22. Poziiile conductorilor auto la volan n funcie de statura lor.

Dat fiind importana deosebit a manechinelor n studiul protecieipasive, exist preocupri intense de a le face s reproduc mai fidel reaciileumane. De pild, pentru aprecierea severitii lezrii toracelui n coliziuni


47/107


laterale se folosete manechinul SID cu care se msoar acceleraiile ncoloana sa "vertebral", confecionat din oel. n ultimul timp s-a realizatmanechinul BIOSID, care are coaste mai lungi i mai subiri iar pieptul lui se

poate deforma cu pn la 100 mm, pe cnd pieptul manechinului SID esterigid, deci nu se deformeaz la impactul lateral. n Europa a fost implementatun alt

Limite Biomecanice

Documents

Transcript of Limite Biomecanice