طی سالیان طولانی کمربندهای ایمنی تنها وسیله مهارکننده کنش‌پذیر در خودروها بوده‌اند. در عین حال در این مدت بحثهای زیادی در مورد ایمنی آنها بخصوص در مورد کودکان مطرح شده است، ولی به مرور زمان در اکثر کشورها کمربندهای ایمنی شامل مقررات اجباری شده‌اند. آمار و ارقام نشان می‌دهد که استفاده از کمربندهای ایمنی جان هزاران نفر را در تصادفات نجات داده است. کیسه‌های هوا طی سالیان طولانی در حال توسعه بوده‌اند. 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 در آمدند). تاکنون آمار نشان داده که کیسه‌های هوا ریسک مرگ را در تصادفات روبرو حدود ۳۰ درصد کاهش داده است. استفاده از کیسه‌های هوای نصب شده در صندلی و درها جدیدتر است ، اگرچه آنها به گستردگی کیسه‌های هوای نصب شده در فرمان و داشبورد مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. برخی از کارشناسان بر این عقیده‌اند که طی سالیان آتی تعداد کیسه‌های هوای خودروها از دو به شش تا هفت خواهد رسید. کیسه‌های هوا هم مانند کمربند ایمنی در سالهای اولیه، موضوع تحقیقات و آزمونهای جدی دولتی و صنعتی هستند. در این مقاله به دانش پشت کیسه‌های هوا و اینکه آنها چگونه کار می‌کنند، مشکلات آنها چیست و تکنولوژی آنها به چه سمتی پیش می‌رود خواهیم پرداخت.
●اصول اولیه
پیش از پرداختن به اصول خاص آنها بهتر است به مرور دانش خود درباره قوانین حرکت (نیوتن) بپردازیم. اول اینکه ما می دانیم که اجسام در حال حرکت دارای اندازه حرکت (مومنتوم) (حاصلضرب جرم و سرعت یک جسم) هستند. در صورتی که 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 خودرو 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 مورد نیاز برای متوقف کردن اجسام بسیار زیاد است چرا که مومنتوم در لحظه تغییر کرده در حالی که برای سرنشینان اینطور نبوده است و وقت زیادی نیز برای اینکار وجود ندارد. هدف هر سیستم مهار کننده کمکی، کمک به متوقف کردن سرنشین با ایجاد کمترین آسیبها به وی است. کاری که یک کیسه هوا انجام می دهد کاهش سرعت سرنشین به صفر با کمترین یا بدون آسیب است. محدودیتهایی 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 نماید. برای آنکه سیستم بتواند به جای آنکه سرنشین را بصورت ناگهانی متوقف کند ، حرکت آن را آرام نماید ، حتی کوچکترین مقدار فضا و زمان ارزشمند است.
در کیسه هوا سه قسمت وجود دارد که می توان به انجام این کار بزرگ یاری دهد:
● کیسه که از پارچه نایلونی نازکی ساخته شده که درون فرمان یا داشبورد ( و اخیرا درون صندلی و در) تا می شود و قرار می گیرد.
●سنسور که وسیله‌ای است که به کیسه فرمان باد شدن را می دهد. باد شدن در صورتی رخ می‌دهد که برخوردی با نیروی معادل برخورد با یک دیوار آجری با سرعت ۱۰ تا ۱۵ مایل بر ساعت (۱۶ تا ۲۴ کیلومتر بر ساعت) ایجاد شود. وقتی یک تغییر جرم باعث بسته شدن یک اتصال برقی شود، یک سوئیچ مکانیکی زده شده و به سنسور پیام می دهد که یک تصادف رخ داده است. سنسور اطلاعات را از یک شتاب سنج که درون میکرو چیپ قرار دارد دریافت می کند.
●سیستم باد کننده کیسه هوا موجب واکنش آزید سدیم (Na N۳) با نیترات پتاسیم (KNO۳) و ایجاد گاز نیتروژن می شود. انفجار داغ نیتروژن موجب باد شدن کیسه هوا می شود. سیستم بادکننده شبیه یک بوستر راکت جامد است. سیستم کیسه هوا یک پیشران (propellant) جامد را مشتعل کرده و به سرعت می سوزد تا یک حجم بزرگ گاز را برای باد کردن کیسه هوا بوجود 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 سوراخهای درون کیسه تخلیه شده و کیسه را از حالت باد شدن در می آورد. کیسه هوا و سیستم باد کننده 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 باد کننده از یک پیشران جامد و یک جرقه‌زن استفاده می‌کند.
●توسعه ایده
همانطور که گفته شد بر اساس مجله Scientific American ایده اولیه استفاده از بالش سریع بادشونده برای ممانعت از جراحات تصادفات قبل از آن که در دهه ۱۹۸۰ توسط وزارت راه آمریکا برای استفاده در خودروها اجباری شود دارای یک پیشینه طولانی است. اولین اختراع وسیله باد شونده برای تصادفات برای هواپیماها در 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 آزاد سازی گاز فشرده مواجه شد. پژوهشگران در جستجوی پاسخگویی به سوالات زیر بودند: ▪ آیا درون خودرو فضای کافی برای مخزن گاز وجود دارد؟ ▪آیا می شود گاز را برای مدت زمان عمر خودرو در آن به صورت ذخیره شده نگه داشت؟ ▪ آیا کیسه هوا را می توان به سرعت و با اطمینان در شرایط مختلف آب و هوایی منبسط نمود بدون آنکه صدای انفجار گوشخراشی ایجاد شود؟ نیاز به یک مجموعه واکنشهای شیمیایی وجود داشت که نیتروژن ایجاد کند و کیسه را باد کند. باد کننده های پیشران جامد (Solid- Propellant Inflators) در دهه ۱۹۷۰ به کمک این ایده آمدند. گر چه 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 بازهم کاملا 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 کمر بندهای ایمنی می توانند کمک کنند( گرچه امروزه کیسه های جانبی هوا نیز در حال متداول شدن هستند). با وجود پیشرفت فن آوری، کیسه های هوا فقط وقتی موثر هستند که همراه با یک کمربند شانه و ران استفاده شوند. کمربند ایمنی سرنشین را در موقعیت خود نگه می دارد، در حالی که کیسه هوا یک مانع نرم برای توقف اعضای بدن او را فراهم می آورد. کیسه های هوا جراحات منجر به مرگ را در مورد رانندگان ۱۱ درصد و در مورد سرنشینان بزرگسال۱۳ 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 آسیبهای مرگبار و جراحات جدی خواهند شد.
●ایمنی
پس از مدت کمی دریافته شد که نیروی یک کیسه هوا می تواند به کسانی که بسیار به آن نزدیک قرار 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 یک 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 می گیرد، باید فاصله خود را به یکی از طرق زیر بیشتر کند:
▪با عقب بردن صندلی تا جای ممکن به صورتی که پاها به راحتی به پدالها 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 می شود، می توان با بالا بردن صندلی ( در خودروهایی که دارای این نوع تنظیم هستند) یا قرار دادن یک بالش سفت غیر لغزنده آن را اصلاح نمود.
▪ با مایل کردن فرمان ( در مورد خودروهایی که این تنظیم را دارند) به صورتی که کیسه هوا به جای سر و گردن به سمت قفسه سینه باز شود. یک دوست خطرناک ولی قاعده برای کودکان متفاوت است. کیسه هوا در مورد کودکانی که در هنگام ترمز ناگهانی کمربند ایمنی نبسته باشند یا بسیار نزدیک به کیسه هوا نشسته باشند یا به سمت داشبورد پرتاب شوند می‌تواند موجب آسیب جدی و حتی مرگ شود. کارشناسان معتقدند که رعایت نکات ایمنی زیر ضروری است:
▪ کودکان زیر ۱۲ سال باید در صندلی عقب نشسته و برای آنها از کمربند ایمنی مناسب سن آنها استفاده شود.
▪نوزادان (زیر یک سال و با وزن کمتر از ۹ کیلوگرم) که در صندلیهای مخصوص رو به عقب می نشینند هرگز نباید در صندلی جلو یک خودرو قرار گیرند.
▪اگر لازم شد که یک نوزاد زیر یک سال باید در صندلی جلو یک خودرو دارای کیسه هوای جانبی بنشیند باید او را در یک صندلی مخصوص بچه دارای کمربند رو به جلو قرار داد و صندلی باید در دورترین فاصله نسبت به داشبورد قرار گیرد.
●اصول اولیه
پیش از پرداختن به اصول خاص آنها بهتر است به مرور دانش خود درباره قوانین حرکت (نیوتن) بپردازیم. اول اینکه ما می دانیم که اجسام در حال حرکت دارای اندازه حرکت (مومنتوم) (حاصلضرب جرم و سرعت یک جسم) هستند. در صورتی که 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 خودرو 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 مورد نیاز برای متوقف کردن اجسام بسیار زیاد است چرا که مومنتوم در لحظه تغییر کرده در حالی که برای سرنشینان اینطور نبوده است و وقت زیادی نیز برای اینکار وجود ندارد. هدف هر سیستم مهار کننده کمکی، کمک به متوقف کردن سرنشین با ایجاد کمترین آسیبها به وی است. کاری که یک کیسه هوا انجام می دهد کاهش سرعت سرنشین به صفر با کمترین یا بدون آسیب است. محدودیتهایی 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 نماید. برای آنکه سیستم بتواند به جای آنکه سرنشین را بصورت ناگهانی متوقف کند ، حرکت آن را آرام نماید ، حتی کوچکترین مقدار فضا و زمان ارزشمند است.
در کیسه هوا سه قسمت وجود دارد که می توان به انجام این کار بزرگ یاری دهد:
● کیسه که از پارچه نایلونی نازکی ساخته شده که درون فرمان یا داشبورد ( و اخیرا درون صندلی و در) تا می شود و قرار می گیرد.
●سنسور که وسیله‌ای است که به کیسه فرمان باد شدن را می دهد. باد شدن در صورتی رخ می‌دهد که برخوردی با نیروی معادل برخورد با یک دیوار آجری با سرعت ۱۰ تا ۱۵ مایل بر ساعت (۱۶ تا ۲۴ کیلومتر بر ساعت) ایجاد شود. وقتی یک تغییر جرم باعث بسته شدن یک اتصال برقی شود، یک سوئیچ مکانیکی زده شده و به سنسور پیام می دهد که یک تصادف رخ داده است. سنسور اطلاعات را از یک شتاب سنج که درون میکرو چیپ قرار دارد دریافت می کند.
●سیستم باد کننده کیسه هوا موجب واکنش آزید سدیم (Na N۳) با نیترات پتاسیم (KNO۳) و ایجاد گاز نیتروژن می شود. انفجار داغ نیتروژن موجب باد شدن کیسه هوا می شود. سیستم بادکننده شبیه یک بوستر راکت جامد است. سیستم کیسه هوا یک پیشران (propellant) جامد را مشتعل کرده و به سرعت می سوزد تا یک حجم بزرگ گاز را برای باد کردن کیسه هوا بوجود 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 سوراخهای درون کیسه تخلیه شده و کیسه را از حالت باد شدن در می آورد. کیسه هوا و سیستم باد کننده 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 باد کننده از یک پیشران جامد و یک جرقه‌زن استفاده می‌کند.
●توسعه ایده
همانطور که گفته شد بر اساس مجله Scientific American ایده اولیه استفاده از بالش سریع بادشونده برای ممانعت از جراحات تصادفات قبل از آن که در دهه ۱۹۸۰ توسط وزارت راه آمریکا برای استفاده در خودروها اجباری شود دارای یک پیشینه طولانی است. اولین اختراع وسیله باد شونده برای تصادفات برای هواپیماها در 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 آزاد سازی گاز فشرده مواجه شد. پژوهشگران در جستجوی پاسخگویی به سوالات زیر بودند: ▪ آیا درون خودرو فضای کافی برای مخزن گاز وجود دارد؟ ▪آیا می شود گاز را برای مدت زمان عمر خودرو در آن به صورت ذخیره شده نگه داشت؟ ▪ آیا کیسه هوا را می توان به سرعت و با اطمینان در شرایط مختلف آب و هوایی منبسط نمود بدون آنکه صدای انفجار گوشخراشی ایجاد شود؟ نیاز به یک مجموعه واکنشهای شیمیایی وجود داشت که نیتروژن ایجاد کند و کیسه را باد کند. باد کننده های پیشران جامد (Solid- Propellant Inflators) در دهه ۱۹۷۰ به کمک این ایده آمدند. گر چه 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 بازهم کاملا 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 کمر بندهای ایمنی می توانند کمک کنند( گرچه امروزه کیسه های جانبی هوا نیز در حال متداول شدن هستند). با وجود پیشرفت فن آوری، کیسه های هوا فقط وقتی موثر هستند که همراه با یک کمربند شانه و ران استفاده شوند. کمربند ایمنی سرنشین را در موقعیت خود نگه می دارد، در حالی که کیسه هوا یک مانع نرم برای توقف اعضای بدن او را فراهم می آورد. کیسه های هوا جراحات منجر به مرگ را در مورد رانندگان ۱۱ درصد و در مورد سرنشینان بزرگسال۱۳ 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 آسیبهای مرگبار و جراحات جدی خواهند شد.
●ایمنی
پس از مدت کمی دریافته شد که نیروی یک کیسه هوا می تواند به کسانی که بسیار به آن نزدیک قرار 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 یک 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 می گیرد، باید فاصله خود را به یکی از طرق زیر بیشتر کند:
▪با عقب بردن صندلی تا جای ممکن به صورتی که پاها به راحتی به پدالها 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 می شود، می توان با بالا بردن صندلی ( در خودروهایی که دارای این نوع تنظیم هستند) یا قرار دادن یک بالش سفت غیر لغزنده آن را اصلاح نمود.
▪ با مایل کردن فرمان ( در مورد خودروهایی که این تنظیم را دارند) به صورتی که کیسه هوا به جای سر و گردن به سمت قفسه سینه باز شود. یک دوست خطرناک ولی قاعده برای کودکان متفاوت است. کیسه هوا در مورد کودکانی که در هنگام ترمز ناگهانی کمربند ایمنی نبسته باشند یا بسیار نزدیک به کیسه هوا نشسته باشند یا به سمت داشبورد پرتاب شوند می‌تواند موجب آسیب جدی و حتی مرگ شود. کارشناسان معتقدند که رعایت نکات ایمنی زیر ضروری است:
▪ کودکان زیر ۱۲ سال باید در صندلی عقب نشسته و برای آنها از کمربند ایمنی مناسب سن آنها استفاده شود.
▪نوزادان (زیر یک سال و با وزن کمتر از ۹ کیلوگرم) که در صندلیهای مخصوص رو به عقب می نشینند هرگز نباید در صندلی جلو یک خودرو قرار گیرند.
▪اگر لازم شد که یک نوزاد زیر یک سال باید در صندلی جلو یک خودرو دارای کیسه هوای جانبی بنشیند باید او را در یک صندلی مخصوص بچه دارای کمربند رو به جلو قرار داد و صندلی باید در دورترین فاصله نسبت به داشبورد قرار گیرد.