نحوه کارکرد کیسه هوا (قسمت اول)

[بهداد]

نحوه کارکرد کیسه هوا (قسمت اول)
کیسه های هوا هم مانند کمربند ایمنی در سالهای اولیه، موضوع تحقیقات و آزمونهای جدی دولتی و صنعتی هستند. در این مقاله به کیسه های هوا و اینکه آنها چگونه کار می کنند، مشکلات آنها چیست و تکنولوژی آنها به چه سمتی پیش می رود خواهیم پرداخت.

طی سال های طولانی کمربندهای ایمنی تنها وسیله مهارکننده کنش پذیر در خودروها بوده اند. در عین حال در این مدت بحث های زیادی در مورد ایمنی آنها بخصوص در مورد کودکان مطرح شده است، ولی به مرور زمان در اکثر کشورها کمربندهای ایمنی شامل مقررات اجباری شده اند. آمار و ارقام نشان می دهد که استفاده از کمربندهای ایمنی جان هزاران نفر را در تصادفات نجات داده است.
کیسه های هوا نیز طی سالهای طولانی در حال توسعه بوده اند. ایده استفاده از یک بالش نرم در برابر برخورد، بسیار جذاب بوده و اولین ثبت اختراع در مورد یک وسیله قابل انبساط برای فرود آمدن در آن در هنگام تصادف برای هواپیماها طی جنگ جهانی دوم انجام شده است! در دهه ۸۰ اولین کیسه هوای تجاری شده در خودروها ظاهر شد.

از سال ۱۹۹۸، وجود کیسه های هوا در هر دو سمت راننده و سرنشین جلو در آمریکا الزامی شده است (کامیونت های سبک نیز از سال ۱۹۹۹ تحت این قانون درآمدند). تاکنون آمار نشان داده که کیسه های هوا ریسک مرگ را در تصادفات روبرو حدود ۳۰ درصد کاهش داده است. استفاده از کیسه های هوای نصب ده در صندلی و درها جدیدتر است. اگر چه آنها به گستردگی کیسه های هوای نصب شده در فرمان و داشبورد مورد استفاده قرار نمی گیرند. برخی از کارشناسان بر این عقیده اند که طی سالیان آتی تعداد کیسه های هوای خودروها از دو به شش تا هفت خواهد رسید.

اصول اولیه:
پیش از پرداختن به اصول خاص بهتر است به مرور اطلاعات خود درباره قوانین حرکت (نیوتن) بپردازیم. اول اینکه ما می دانیم که اجسام در حال حرکت دارای اندازه حرکت (مومنتوم) (حاصلضرب جرم و ساعت یک جسم)هستند. در صورتیکه یک نیروی خارجی بر جسم وارد نشود آن جسم به حرکت خود با سرعت و جهت خود ادامه خواهد داد. خودروها از اجسام متعددی تشکیل شده اند که شامل خود خورد و اجسام مهار نشده درون آن و البته سرنشینان می شود. اگر این اجسام مهار نشوند، حتی در صورت توقف خودرو در اثر تصادف، آنها با سرعتی که خودرو دارد به حرکت خود ادامه می دهند.
متوقف کردن یک جسم دارای مومنتوم مستلزم اعمال نیرو به آن در یک دوره زمانی است. وقتی یک خودرو دچار تصادف می شود، نیروی موردنیاز برای متوقف کردن اجسام بسیار زیاد است چرا که مومنتوم در لحظه تغییر کرده در حالی که برای سرنشینان این طور نبوده است و وقت زیادی نیز برای این کار وجود ندارد. هدف هر سیستم مهارکننده کمکی، کمک به متوقف کردن سرنشین با ایجاد کمترین آسیب ها به وی است.

کاری که یک کیسه هوا انجام می دهد کاهش سرعت سرنشین به صفر با کمترین یا بدون آسیب است. محدودیت هایی که کیسه هوا با آنها درگیر است، زیاد است. کیسه هوا باید در کسری از ثانیه در فضای بین سرنشین و فرمان یا داشبورد عمل کند. برای آنکه سیستم بتواند به جای آنکه سرنشین را بصورت ناگهانی متوقف کند، حرکت آن را آرام کند، حتی کوچکترین مقدار فضا و زمان ارزشمند است.

در کیسه هوا سه قسمت وجود دارد که می تواند به انجام این کار بزرگ یاری دهد:

کیسه که از پارژه نایلونی نازکی ساخته شده که درون فرمان یا داشبورد (و اخیراً درون صندلی و در) تا می شود و قرار می گیرد.
سنسور که وسیله ای است که به کیسه فرمان باد شدن را می دهد. باد شدن در صورتی رخ می دهد که برخوردی با نیروی با نیروی معادل برخورد یک دیوار آجری با سرعت ۱۰ تا ۱۵ مایل بر ساعت (۱۶ تا ۲۴ کیلومتر بر ساعت) ایجاد شود. وقتی تغییر جرم باعث بسته شدن اتصال برقی شود، سوئیچ مکانیکی زده شده و به سنسور پیام می دهد که تصادف رخ داده است. سنسور اطلاعات را از یک شتاب سنج که درون میکروچیپ قرار دارد دریافت می کند.
سیستم بادکننده کیسه هوا موجب واکنش آزید سدیم (Na N۳) با نیترات سدیم (Propellant) جامد را مشتعل کرده و به سرعت می سوزد تا حجم بزرگی از گاز را برای باد کردن کیسه هوا به وجود بیاورد. به این ترتیب کیسه هوا از قسمت ذخیره شده خود با سرعت ۲۰۰ مایل بر ساعت (۳۲۲ کیلومتر بر ساعت) یعنی سریعتر از یک چشم بر هم زدن از هم باز می شود. یک ثانیه بعد، برای آنکه سرنشین بتواند حرکت کند، گاز به سرعت از سوراخ های درون کیسه تخلیه شده و کیسه را از حالت باد شدن در می آورد.

کیسه هوا و سیستم بادکننده ذخیره شده در فرمان:
گرچه همه این فرآیند تنها در یک بیست و پنجم ثانیه رخ می دهد ولی زمان اضافی ایجاد شده برای جلوگیری از یک جراحت جدی کافی است. ماده پودری که از کیسه هوا آزاد می شود آرد ذرت عادی یا پودر تالک است که توسط سازنده برای نچسبیدن تاهای کیسه به هم در هنگام ذخیره کیسه هوا استفاده شده است. سیستم بادکننده از یک پیشران جامد و یک جرقه زن استفاده می کند.

توسعه ایده:
همانطور که گفته شد براساس مجله Scientific American ایده اولیه استفاده از بالش سریع بادشونده برای ممانعت از جراحات تصادفات قبل از آن در دهه ۱۹۸۰ توسط وزارت راه آمریکا برای استفاده از خودروها اجباری شود دارای یک پیشینه طولانی است. اولین اختراع وسیله بادشونده برای تصادفات برای هواپیماها طی جنگ جهانی دوم ثبت شده است.

تلاشهای اولیه برای استفاده از کیسه هوا برای خودروها با موانع قیمت بالا و مشکلات فنی مرتبط با ذخیره و آزادسازی گاز فشرده مواجه شد. پژوهشگران در جستجوی پاسخگویی به سؤالات زیر بودند:

۱) آیا درون خودرو فضای کافی برای مخزن گاز وجود دارد؟

۲) آیا می شود گاز را برای مدت زمان عمر خودرو در آن به صورت ذخیره شده نگه داشت؟

۳) آیا کیسه هوا را میتوان به سرعت و با اطمینان در شرایط مختلف آب و هوایی منبسط کرد بدون آنکه صدای انفجار گوش خراشی ایجاد شود؟

نیاز به مجموعه واکنش های شیمیایی وجود داشت که نیتروژن ایجاد کند و کیسه را باد کند. بادکننده های پیشران جاد (Propellant Inflators Solid) در دهه ۱۹۷۰ به کمک این ایده آمدند.

گرچه از نظر تاریخی کیسه های هوا در ابتدا برای استفاده توسط سرنشینان بدون کمربند ایمنی طراحی شده بود ولی در همان روزهای اولیه شروع ایده کیسه هوا برای خودروها، کارشناسان هشدار داده بودند که این وسیله جدید باید به صورت پشتیبان و همراه با کمربند ایمنی استفاده شود. کمربندهای ایمنی باز هم کاملاً ضروری هستند چرا که کیسه های هوا فقط در تصادفات روبرویی که با سرعت بیش از ۱۰ مایل بر ساعت (۱۶ کیلومتر بر ساعت) رخ دهد عمل می کنند. در مورد برخوردها و تصادفات جانبی، تصادفات از عقب و برخوردهای ثانویه فقط کمربندهای ایمنی می توانند کمک کنند (گرچه امروزه کیسه های جانبی هوا نیز در حال رواج هستند). با وجود پیشرفت فناوری، کیسه های هوا فقط وقتی موثر هستند که همراه با یک کمربند شانه و ران استفاده شوند. کمربند اینمی سرنشین را در موقعیت خود نگه می دارد، در حالی که کیسه هوا یک مانع نرم برای توقف اعضای بدن او فراهم می آورد.

کیسه های هوا جراحات منجر به مرگ را در مورد رانندگان ۱۱ درصد و در مورد سرنشینان بزرگسالان ۱۳ درصد کاهش می دهد. حفاظت ایجاد شده توسط کیسه هوا به علاوه کمربند ایمنی قابل مقایسه با هیچ نوع حفاظت دیگری نیست. مطالعات نشان می دهند که در یک برخورد، سرنشینانی که توسط کمربند ایمنی و کیسه هوا محافظت می شوند ۵۰ درصد کمتر از سرنشینان مهار نشده دچار آسیب های مرگبار و جراحات جدی خواهند شد.

ایمنی:
پس از مدت کمی دریافتند نیروی یک کیسه هوا می تواند به کسانی که در فاصله نزدیک به آن قرار می گیرند، آسیب بزند چرا که یک عامل ایجاد خطر در مورد کیسه های هوا امکان برخورد آنها با صورت یا گردن است. پژوهشگران دریافته اند که ناحیه خطر برای کیسه هوای راننده در محدوده ۲ تا ۳ اینچی (۵ تا ۸ سانتیمتری) محل باد شدن قرار دارد. بنابراین قرار گرفتن در فاصله ۱۰ اینچی (۲۵ سانتیمتری) از کیسه هوای راننده، حاشیه ایمنی مناسب را ایجاد می کند. این فاصله از مرکز فرمان تا قفسه سینه اندازه گیری می شود، اگر راننده در فاصله کمتری از این فاصله قرار گیرد، باید فاصله خود را به یکی از روش های زیر بیشتر کند:

با عقب بردن صندلی تا جای ممکن به صورتیکه پاها به راحتی به پدال ها برسند.
با مایل نمودن پشتی صندلی به عقب. گرچه طراحی خودروها با یکدیگر متفاوت است ولی اغلب رانندگان می توانند حتی در جلوترین حالت صندلی با مایل کردن اندک پشتی به عقب به فاصله ۱۰ اینچی دست یابند. اگر مایل کردن پشتی صندلی مانع از داشتن دید مناسب از جاده شود، می توان با بالا بردن صندلی (در خودروهایی که دارای این نوع تنظیم هستند) یا قرار دادن یک بالش سفت غیرلغزنده آن را اصلاح کرد.