Vì Sao Phải Thắt Dây An Toàn?

· 6 phút đọc · Thầy Thạch

Vật lý quanh taGiao thôngLớp 10

Xe đang chạy 50 km/h thì đâm vào một vật cản và dừng lại đột ngột. Cả người em bị dúi về phía trước, dây an toàn siết chặt vào vai và hông. Đau, nhưng em vẫn ngồi nguyên trên ghế.

Chiếc dây vải mỏng ấy làm được gì mà tránh cho em đập đầu vào kính chắn gió? Vì sao phải thắt dây an toàn, kể cả khi xe chạy không nhanh?

Hai người trong xe sau va chạm: người thắt dây bị giữ lại, người không thắt dây lao tới kính và táp-lô

Trên: xe và người cùng chạy với vận tốc 13,9 m/s (50 km/h).

Dưới: xe dừng lại vì va vào tường, người không thắt dây vẫn đang lao tới.

Màu xanh là người thắt dây, màu đỏ là người không thắt dây.

Đoán thử trước khi đọc

Khi xe va chạm, vì sao người không thắt dây bị thương nặng hơn?

  • A. Vì khi xe dừng, có một "lực đẩy" kéo người về phía trước.
  • B. Vì cơ thể người vẫn tiếp tục chuyển động với vận tốc cũ cho tới khi có thứ gì đó chặn lại.
  • C. Vì dây an toàn làm xe dừng nhanh hơn.

Chọn một đáp án trong đầu rồi đọc tiếp. Đáp án đúng là B, và ở mục "Thử ước lượng" em sẽ thấy dây an toàn thay đổi lực tới cỡ nào.

Xe dừng, người thì chưa

Khi xe chạy, người ngồi trong xe cũng chạy cùng vận tốc với xe. Khi xe đâm vào vật cản, thân xe bị chặn lại và dừng rất nhanh.

Người trong xe thì không bị chặn. Theo định luật 1 Newton, một vật không chịu lực tác dụng (hoặc các lực cân bằng nhau) sẽ đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều, tức giữ nguyên vận tốc. Tính chất đó gọi là quán tính. Người vẫn tiếp tục lao về phía trước với 50 km/h, cho tới khi gặp thứ gì đó chặn lại.

Không có "lực đẩy tới" nào cả. Cảm giác bị dúi về phía trước chỉ là cơ thể giữ nguyên chuyển động cũ. Không dây thì vô lăng, táp-lô hoặc kính chặn người lại. Có dây thì dây chặn người lại, và dây còn giãn ra một chút.

Quãng dừng quyết định lực

Sơ đồ lực trung bình tác dụng lên người 60 kg khi dừng lại: có dây khoảng 11 600 N, không dây khoảng 58 000 N

Mũi tên xanh: lực trung bình lên người khi có dây an toàn, khoảng 11 600 N.

Mũi tên đỏ: lực trung bình lên người khi không có dây, khoảng 58 000 N.

Mũi tên đỏ dài gấp khoảng 5 lần vì quãng dừng ngắn hơn khoảng 5 lần.

Hai người, cùng khối lượng, cùng vận tốc, cùng phải dừng lại. Muốn dừng thì cần một lực, và định luật 2 Newton cho biết lực đó bằng khối lượng nhân gia tốc: F = m·a.

Điều thay đổi giữa hai trường hợp là quãng đường dừng. Dây an toàn giãn ra một chút và vùng đầu xe móp lại, nên người được giảm tốc dần trên quãng đường dài hơn. Còn người không dây phải dừng lại trên một quãng rất ngắn khi va vào thứ cứng.

Cũng có thể nhìn bằng động lượng p = m·v. Muốn đưa động lượng về 0 thì cần một xung lực F·Δt = Δp. Cùng Δp, thời gian Δt càng dài thì lực F càng nhỏ.

Thử ước lượng bằng số

Người 60 kg, xe chạy 50 km/h ≈ 13,9 m/s. Để đơn giản, coi lực không đổi trong lúc dừng và bỏ qua mọi thứ khác. Con số không dây là cận trên: thực tế đầu xe móp trước nên người chạm táp-lô với tốc độ nhỏ hơn 50 km/h.

  • Động năng: ½·m·v² = ½ × 60 × 13,9² ≈ 5 800 J.
  • Có dây: dừng trên quãng d ≈ 0,5 m (đầu xe móp và dây giãn). F = động năng / d = 5 800 / 0,5 ≈ 11 600 N. Gia tốc a = v² / (2d) ≈ 190 m/s², khoảng 20 lần g.
  • Không dây: dừng trên quãng d ≈ 0,1 m (đập vào táp-lô, kính). F = 5 800 / 0,1 ≈ 58 000 N. Gia tốc a ≈ 960 m/s², khoảng 100 lần g.

Trọng lượng người này chỉ khoảng 590 N. Vậy có dây thì lực khoảng 20 lần trọng lượng, không dây thì khoảng 100 lần trọng lượng.

Quãng dừng ở đây là giả định, không đo từ một vụ tai nạn cụ thể. Nhưng tỉ lệ khoảng 5 lần cũng xuất hiện trong ví dụ va chạm xe của HyperPhysics (xem Nguồn). Ý nghĩa thì rõ: dừng lâu hơn một chút thì lực nhỏ đi rất nhiều.

Thống kê ngoài đời khớp với điều này: cơ quan an toàn giao thông Hoa Kỳ (NHTSA) ước tính dây ba điểm giảm khoảng 45% nguy cơ tử vong của người ngồi ghế trước ô tô.

Tự thử ở nhà

Cần một quả bóng bàn (hoặc quả bóng nhỏ), một cái khăn dày và một mặt bàn cứng.

  1. Thả quả bóng từ độ cao khoảng 30 cm xuống mặt bàn cứng. Nghe tiếng "cạch" và quan sát độ nảy.
  2. Gấp khăn thành nhiều lớp dày, đặt lên bàn, rồi thả bóng từ cùng độ cao.
  3. So tiếng động và độ nảy của hai lần thả.

Em sẽ thấy tiếng va nhỏ hơn và bóng nảy thấp hơn trên khăn. Vì sao? Cùng vận tốc lúc chạm, nhưng khăn lún xuống nên quãng dừng dài hơn, lực lên quả bóng nhỏ hơn. Khăn còn hút bớt năng lượng của bóng nên bóng nảy thấp, độ biến thiên động lượng cũng nhỏ hơn. Dây an toàn làm đúng việc đó với cơ thể em.

Hiểu lầm hay gặp

  • ❌ Xe chạy chậm trong phố thì không cần thắt dây. → ✅ Vận tốc nào cũng cần: ở 30 km/h người vẫn có động năng đủ lớn để đập vào táp-lô.
  • ❌ Dây an toàn làm xe dừng nhanh hơn. → ✅ Dây không làm xe dừng. Dây giữ người dính với xe nên người cùng giảm tốc với xe, trên quãng dài hơn.

Em đã học ở đâu?

Nghĩ tiếp

Túi khí trong xe ô tô cũng phồng lên đúng lúc va chạm. Nó giúp cơ thể giảm lực bằng cách nào, và vì sao túi khí chỉ có tác dụng tốt khi em đã thắt dây?

Gợi ý: nghĩ về quãng dừng của đầu và ngực, và về việc người không thắt dây có thể ở sai vị trí khi túi khí bung.

Nguồn

← Xem tất cả bài viết