Urto frontale tra due auto e luoghi comuni

Fig. 1

Cosa rispondereste alla seguente domanda?

Secondo voi un urto frontale tra due auto simili ad una velocità di 80 km/h è assimilabile ad un urto di una sola auto a 80 km/h contro una parete di roccia?

Quanti dicono sì?  E quanti no?

E cosa rispondereste alla domanda

Quale delle due collisioni è più grave?

La prima tra auto o quella contro il muro?

Uno sguardo sui nostri misconcetti

La maggior parte delle persone di getto risponde che, il primo scenario dell’urto frontale è più grave in quanto la velocità effettiva di collisione tra le due autovetture è di 160 km/h (80+80), quindi l’urto frontale tra due auto ha il doppio della forza rispetto alla seconda di collisione tra un’autovettura e la parete di roccia, poiché avviene solo a 80 km/h. Ti ritrovi in questa risposta? É corretta?

Assolutamente NO, questa conclusione è errata.

Nello scenario preso in esame, ovvero veicoli aventi massa e velocità uguali, non vi è assolutamente alcuna differenza nel collidere contro la parete di roccia a 80 km/h oppure contro un secondo veicolo identico che viaggia in verso opposto.

La quantità di forza applicata al veicolo oggetto di analisi è la stessa in entrambe le situazioni. In realtà, rispetto all’urto frontale tra due auto vi possono essere alcune differenze anche in funzione del fatto che la consistenza di una parete di roccia è molto diversa dalla consistenza di un veicolo, ma questo significa soltanto che colpire la parete di roccia sarà più grave che colpire l’altra autovettura, anche se forse con differenze non così apprezzabili.

Cosa dice la Meccanica Newtoniana?

Quando il veicolo colpisce la parete di roccia a 80 km/h, è esercitata una forza impulsiva piuttosto intensa, in quanto l’urto è breve. Successivamente il veicolo si ferma, lì dove è avvenuto l’urto.

Richiamando la legge di conservazione della quantità di moto dell’auto PRIMA dell’urto:

Fig. 2

Per la terza legge di Newton, nel momento della collisione, la parete di roccia esercita in verso opposto una forza equivalente a quella esercitata dal veicolo e ne causa l’arresto.

Ovviamente gli effetti di queste due forze di uguale intensità e verso opposto NON possono essere uguali, perché sono applicate a masse molto diverse.

La forza che l’auto applica alla parete di massa infinita non produce accelerazioni della roccia. Viceversa la forza che la parete applica al veicolo, che ha massa piccola, produce una grande decelerazione e danni enormi.

In conclusione il risultato della collisione di un veicolo che urta frontalmente un veicolo ad 80 km/h è analogo al risultato della collisione del  veicolo che urta frontalmente la parete ad 80 km/h.

Passiamo ad una seconda domanda in grado di confondere ulteriormente le carte in tavola:

Se due autovetture di uguale massa, viaggiando alla medesima velocità, si urtassero frontalmente a 80 km/h osserveremmo gli stessi effetti prodotti dall’urto frontale di un’auto a 160 km/h contro un muro?

Fig. 3

Per quello che abbiamo appena visto la risposta è NO. Nell’urto le forze non raddoppiano e quindi un’auto che si muovesse a 160 km/h e andasse contro un muro subirebbe danni enormemente superiori a quelli di un scontro frontale tra due auto che viaggiano a 80 km/h.

Concludendo l’urto frontale tra due autovetture identiche, aventi la medesima massa, che viaggiano velocità ad esempio di 80 Km/h non equivale in alcun modo ad un urto frontale di una medesima autovettura che impatta un muro alla velocità di 160 km/h. Ciò non è assolutamente vero ed è privo di coerenza con le leggi della fisica!

Tutti gli urti analizzati sono, ovviamente, urti anelastici. In queste situazioni si ha unicamente la conservazione della quantità di moto e non dell’energia cinetica; infatti l’auto inizialmente possiede energia cinetica, ma dopo l’urto questa energia scompare, perché il veicolo si ferma. Dove è andata a finire l’energia di movimento?

Ricordando che la legge generale della conservazione dell’energia è sempre valida, possiamo concludere che con l’urto si ha una trasformazione dell’energia di moto in energia termica (dopo un incidente le lamiere risultano calde) e in energia che produce la deformazione della scocca del veicolo, per il lavoro svolto dalle intense forze di rottura e deformazione che minano l’integrità della struttura coinvolta nell’urto.

In aggiunta parte dell’energia è dissipata per gli attriti dovuti allo scorrimento forzato di parti dell’auto e, per ultimo, una quantità dell’energia cinetica si scarica sugli occupanti del veicolo provocando danni.

La rapida variazione della quantità di moto comporta forze intense e molto pericolose. Ecco perché le automobili sono dotate di misure di sicurezza passive come airbag, cinture di sicurezza e abitacoli resistenti alla deformazione che hanno lo scopo di allungare i tempi di variazione della quantità di moto nel corso di un urto.

Ecco raffigurati alcuni esempi di urti anelastici:

Fig. 4

Immagine tratta dalla pubblicazione Formule nel traffico, FIAT PER LA SCUOLA

Che valori hanno le energie in gioco? Come esempio consideriamo una utilitaria con una massa di circa 1000 kg.

Nel grafico sottostante sono indicati i valori dell’energia cinetica associata a valori diversi della velocità; le energie sono espresse in kJ e le velocità in km/h.

Fig. 5

La dipendenza tra velocità ed energia cinetica è di tipo quadratico, ovvero se raddoppia la velocità espressa in m/s, quadruplica il valore dell’energia associata al moto; se triplica v, allora l’energia sarà nove volte il valore iniziale.

Ecco tre video per approfondire l’argomento:

• Il primo video Understanding Car Crashes: It’s Basic Physics analizza attraverso le leggi fisiche gli incidenti tra veicoli.
• Il secondo video è relativo ad una puntata del programma televisivo americano “MythBusters”, in cui viene rettificata un’affermazione errata fatta in una puntata precedente. Molto interessante l’approccio sperimentale usato per confutare l’ipotesi errata; un apprezzabile esempio di applicazione del metodo scientifico. Il link è:  https://youtu.be/-W937NM11o8
• Il terzo video è la prosecuzione della puntata del programma “MythBusters”; le spettacolari immagini dei crash test fanno riflettere. Link: https://youtu.be/r8E5dUnLmh4