В 1903 г. француз Гюстав Либо запатентовал конструкцию защитных ремней для пассажиров автомобилей и самолётов. На основе этого изобретения изготовлены современные ремни безопасности. Впервые они были применены на автомобилях компании «Вольво». Что (с точки зрения физических законов) обеспечивает безопасность пассажиров, пользующихся этими ремнями?

Для понимания того, как ремни безопасности обеспечивают безопасность пассажиров с точки зрения физических законов, необходимо проанализировать основные принципы механики и динамики.

Во−первых, в основе проблемы лежит первый закон Ньютона (закон инерции). Этот закон гласит, что тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не действует внешняя сила. В случае автомобиля, движущегося с определённой скоростью, и пассажиров внутри него, каждый пассажир также движется с той же скоростью. Если автомобиль резко останавливается, например, в результате аварии, на автомобиль начинает действовать сила торможения или столкновения. Однако тела (или пассажиры) внутри автомобиля продолжают двигаться по инерции (согласно первому закону Ньютона) с той же скоростью, с которой они двигались до остановки автомобиля. Если пассажиры не зафиксированы ремнями безопасности, они могут продолжить движение вперёд, пока не столкнутся с передними сиденьями, приборной панелью, лобовым стеклом или другими частями салона автомобиля. Это может привести к серьёзным травмам.

Во−вторых, в аварийной ситуации задействуется и второй закон Ньютона, который утверждает, что ускорение тела прямо пропорционально силе, действующей на тело, и обратно пропорционально его массе (F = ma). Когда автомобиль останавливается, тело пассажира должно замедлиться, чтобы перейти от движения с высокой скоростью к покою. Без ремней безопасности замедление происходит за счёт удара о твёрдые предметы, где сила удара будет зависеть от массы пассажира и величины замедления. Ремни безопасности, в свою очередь, распределяют эту силу по большей площади тела и уменьшают вероятность травм.

Кроме того, необходимо учитывать закон сохранения импульса. Импульс тела определяется как произведение массы тела на его скорость (p = mv). При движении автомобиля пассажиры обладают определённым импульсом. Если произойдёт столкновение, импульс должен измениться, и это изменение происходит за счёт действия внешних сил. Ремни безопасности позволяют снизить скорость изменения импульса (и, соответственно, силу, действующую на тело), так как они замедляют движение пассажира более плавно, распределяя нагрузку во времени.

Также важен принцип работы и энергии. При резком торможении кинетическая энергия пассажира (E_k = 1/2 mv²) должна быть поглощена, чтобы пассажир остановился. Ремни безопасности, растягиваясь, работают как своего рода амортизатор, преобразующий часть кинетической энергии в упругое деформирование ремня. Это снижает энергию, которая может быть передана телу пассажира через удар.

Наконец, в случае, если пассажир не пристёгнут и его тело сталкивается с препятствием, на него действуют силы, вызывающие быстрое замедление и потенциальные травмы. Ремни безопасности ограничивают движение тела, фиксируя его в сиденье и предотвращая столкновение с другими объектами. Таким образом, ремни безопасности минимизируют риск травм благодаря использованию принципов механики: предотвращают движение по инерции, уменьшают воздействие силы, распределяют её по большей площади и растягивают процесс остановки во времени.

Включение ремней безопасности в конструкции автомобилей, таким образом, играет ключевую роль в защите пассажиров, основываясь на основных физических законах и принципах.