«

»

Nov
02

Eviter la mort dans une collision

Comment diminuer les effets sur le corps humain d’une chute ou d’une collision ? En amortissant ; ce qui signifie une immobilisation rapide, mais pas trop.
de l'importance de l'airbag

Dessin : B. Vacaro

A l’occasion de la semaine thématique sur la mort du c@fé des sciences. Voici en texte intégral un chronique de 2009  consacrée aux moyens de se protéger des chocs violents. 

Filets de protection ou harnais de sécurité sont là pour nous protéger lors d’une chute. Ceintures de sécurité et airbags font de même lors des accidents de voiture. Leur rôle est d’éviter le ralentissement trop brutal provoqué par le choc contre un obstacle ou un arrêt soudain : ils doivent donc être conçus pour amortir… en douceur. Quels principes guident la conception de ces systèmes de sécurité ?

 

Cascade sur matelas

Lorsqu’une personne en mouvement entre en collision avec un obstacle fixe, la transition à l’immobilité induit des forces intenses qui peuvent engendrer de graves blessures. Comment les éviter ? Regardons un cascadeur qui saute d’une grande hauteur. On a placé pour le réceptionner et amortir sa chute un épais matelas gonflable (voir la figure 1). Au lieu de s’immobiliser instantanément, le cascadeur est progressivement freiné par les forces de réaction du matelas, qui se déforme lors de l’impact.

Pour éviter les dommages corporels lors d’une chute, la décélération à l’impact ne doit pas dépasser une dizaine de fois l’accélération g de la pesanteur. On en déduit que la distance sur laquelle l’immobilisation se produit, donc l’épais- seur du matelas de réception, doit être au moins égale au dixième de la hauteur de chute. Dessin : B. Vacaro

Quelle doit être l’épaisseur du matelas ? Après une chute sous le seul effet de son poids (produit de sa masse par l’accélération g de la pesanteur), l’énergie cinétique acquise par le cascadeur est égale au travail de son poids, c’est-à-dire au produit de cette force par la hauteur de chute. À l’arrêt, l’énergie cinétique s’annule : le travail de la force de freinage – produit de cette force par la distance sur laquelle elle s’exerce – devra donc être égal à celui du poids. Pour une personne entraînée, on estime qu’il n’y a aucun souci si la décélération subie est inférieure à environ dix fois l’accélération de la pesanteur (10g pour parler comme les aviateurs).

La force correspondante est, en vertu des lois de Newton, le produit de cette décélération par la masse du cascadeur. Par une règle de trois, on en déduit que la distance d’arrêt pour le cascadeur doit être d’au moins un dixième de la hauteur de la chute. Ainsi, pour un saut d’une hauteur de 11,5 mètres, correspondant à un immeuble de quatre étages, la vitesse à l’impact est de 15 mètres par seconde, soit 54 kilomètres par heure, et la distance d’arrêt minimale est d’un peu plus d’un mètre. En pratique, comme la force exercée n’est ni constante ni maximale dès le contact avec le matelas, une épaisseur de matelas de 1,5 à 2 mètres s’impose.

Des cordes élastiques

Afin de s'assurer contre une chute avec un amortissement supportable, les alpinistes utilisent des cordes qui, par élasticité, s’allon- gent d’environ 40 pour cent en cas de chute d’une hauteur égale au double de la longueur de corde. Pour une descente en rappel, en revanche, une telle élasticité est indésirable.

Pour se protéger des chutes involontaires, on a les mêmes contraintes. Comme il est impossible de placer d’épais matelas au bas de toutes les falaises ou de tous les chantiers, les alpinistes ou les travailleurs du bâtiment sont équipés de harnais. Des cordes relient ces harnais à la paroi ou à l’édifice. Elles doivent être solides, tout en permettant une immobilisation progressive qui respecte les distances minimales d’arrêt précédentes : ces cordes sont donc élastiques, mais pas trop (voir la figure 2). Ainsi, les cordes performantes disponibles actuellement sur le marché s’allongent de près de 10 pour cent lorsque l’alpiniste s’y suspend, et de près de 40 pour cent lors d’une chute test calibrée (hauteur de chute égale à 1,77 fois la longueur de la corde). Elles exercent au cours de cette chute une force maximale de 8 000 newtons sur une personne de 80 kilogrammes, soit l’équivalent d’une décélération de 10g, sans risque pour l’alpiniste.

Cette élasticité a un inconvénient pour les longues descentes en rappel, c’est-à-dire lorsque c’est la corde qui soutient tout le poids de l’alpiniste, celui-ci étant suspendu dans le vide ou les pieds en appui sur la paroi : l’élasticité de la corde peut provoquer un effet de yo-yo à chaque fois que l’alpiniste interrompt sa descente. Les alpinistes et surtout les spéléologues préfèrent alors des « cordes statiques », beaucoup moins élastiques puisque leur allongement sous l’effet du poids n’est que de un à deux pour cent. Ces cordes peuvent ainsi être moins épaisses et plus légères que les cordes qui servent à s’assurer. Il est impératif de ne pas les utiliser pour s’assurer : le ralentissement (au-delà de 100g) en cas de chute serait trop brutal.

Atténuer l’accident de voiture

En cas de collision, il faut que le passager du véhicule subisse une décélération sup- portable, ce qui nécessite une ceinture de sécurité adaptée et une distance d’arrêt supérieure à un certain seuil. Mais compte tenu de cette distance d’arrêt du corps du passager, le choc avec l’ha- bitacle doit être évité. L’avant du véhicule est conçu pour se déformer et s’écraser, ce qui per- met à l’habitacle, qui est rigide, d’avancer et ainsi d’éviter son contact avec le passager. Un airbag complète le dispositif pour protéger la tête. Dessin : B. Vacaro

Nous sommes maintenant parés pour analyser la collision entre un véhicule et un obstacle immobile. Le premier effet de la collision est de stopper le véhicule. Si le passager n’a pas attaché sa ceinture de sécurité, il n’est soumis à aucune force horizontale. Il continue son avancée à vitesse constante et va heurter l’avant de l’habitacle qui, lui, s’est immobilisé. Pour une vitesse de 54 kilomètres par heure, typique des crashs-tests, ce choc est, comme on l’a vu, équivalent à une chute d’une hauteur de 11,5 mètres ! Le rôle de la ceinture de sécurité est de retenir le conducteur et les passagers pour les empêcher de percuter l’habitacle, en garantissant un ralentissement adapté (voir la figure 3).

La tension de la ceinture de sécurité, selon les normes les plus strictes de l’Association Euro NCAP (European New Car Assesment Program), ne doit pas dépasser 4 000 newtons. Pour un passager sanglé par le torse et le bassin à deux points d’attache, cela correspond à une force totale maximale de 16 000 newtons, soit 20g pour un homme de 80 kilogrammes. Pour cette force de freinage, la distance d’arrêt théorique est de 60 centimètres et, en pratique, d’au moins 80 à 100 centimètres.

La distance d’arrêt est supérieure à la longueur des bras, donc à la distance entre le torse et le volant. Comment alors éviter le choc entre eux ? Il suffit qu’au cours de la collision, le volant lui aussi avance ! C’est pourquoi l’habitacle des voitures modernes est rigide, afin que le siège ne s’approche pas du volant, tandis que l’avant du véhicule a été conçu pour se déformer et s’écraser. Des mesures sur un crash-test de véhicule léger montrent ainsi que lors de la collision, la décélération de l’habitacle augmente jusqu’à un maximum de 40g. Pendant la durée du choc, d’environ 0,08 seconde, l’habitacle s’est déplacé de plus de 70 centimètres, ce qui suffit pour éviter le contact entre le conducteur et le volant.

Pour être totalement efficace, ce système est complété par deux dispositifs. Durant la conduite normale, la ceinture n’est pas tendue. Afin d’éviter que le corps ne s’éloigne trop du siège avant que la ceinture soit sous tension, le véhicule est équipé de dispositifs de « prétension ». Dès que le choc est détecté par des accéléromètres, des prétensionneurs de ceinture se mettent en action : des dispositifs électroniques et mécaniques amènent rapidement la ceinture à la tension optimale, avant que le passager ait trop avancé par rapport à son siège.

Ensuite, lors du choc, le corps et le cou se plient, et la tête part en avant : d’une masse d’environ cinq kilogrammes, la force nécessaire pour l’arrêter à 20g est de l’ordre de 1 000 newtons. Cette force ne provoque pas de lésions fatales, mais une flexion du cou. On complète donc le dispositif par un airbag qui évite les chocs de la tête contre le pare-brise, le volant ou les genoux. Ces airbags permettent aussi d’amortir les chocs latéraux pour lesquels l’espace de sécurité est plus réduit.

Pour en savoir plus

Informations techniques sur les tests de l’Association Euro NCAP :http://www.euroncap.com/ tests.aspx,http://www.crash-test.org/

N. Bogduk et N. Yoganandan, Biomechanics of the cervical spine Part. 3 : Minor injuries, Clinical Biomechanics, vol. 16, pp. 267-275, 2001.

Laisser un commentaire

Votre adresse ne sera pas publiée.

Vous pouvez utiliser les balises HTML suivantes : <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>