Attenzione! La fisica della sicurezza stradale Teach article

Uso delle equazioni del moto per ricavare cosa succede in un incidente stradale – e imparare alcune lezioni di vita.

Vivendo in una zona rurale della Scozia, molti dei nostri studenti imparano a guidare nelle proprie fattorie – credono di aver poco da imparare quando cominciano a guidare sulle strade pubbliche. Il risultato è che vi sono molti incidenti stradali che coinvolgono i giovani autisti della nostra regione. Per contrastare questi eventi drammatici la nostra scuola ha promosso delle attività in classe, rivolte agli studenti che si stanno preparando alla guida di veicoli, e su quali sono i pericoli e gli incidenti che possono coinvolgere altri autisti o i pedoni. L’attività incoraggia inoltre gli studenti ad applicare le equazioni del moto, imparate durante le lezioni di fisica, alla vita reale che riguardano proprio la loro vita.

In questa esercitazione simuliamo la scena che si basa su un incidente reale tra un’automobile e un pedone verificatosi in loco, provocando lesioni gravi al pedone che gli possono cambiare l’esistenza. I dettagli di ciò che succede durante l’incidente non sono noti: il guidatore responsabile  fugge dalla scena dell’incidente, e le dichiarazioni dei testimoni oculari a volte non coincidono tra loro e con quello che è realmente accaduto. Perciò gli studenti dovranno ricostruire l’incidente, utilizzando sia misurazioni e altre prove rilevate sulla scena dell’incidente, dichiarazioni dei testimoni oculari ed eventuali calcoli. Il compito è quello di determinare come è avvenuto l’incidente, chi è il responsabile e se sono state violate le regole del codice della strada.    

Sebbene potrebbe essere più interessante per gli studenti indagare l’incidente da soli, gli sono forniti i dati chiave da utilizzare nelle equazioni (in particolare la lunghezza dei segni delle frenate dopo che il pedone è stato urtato), così l’attività si riduce al calcolo diretto utilizzando le equazioni del moto.

Questa esercitazione è adatta a studenti di età compresa tra i 13-17 anni, a seconda delle loro abilità matematiche. La versione dell’esercitazione descritta qui si basa su un evento successo sulle strade dell’U.K. con i limiti di velocità imposti dall’U.K., ma i dettagli si possono adattare a strade di altri paesi. Potreste anche inventarvi scenari differenti più attinenti con le situazioni del vostro paese: forse rivolgendosi alla polizia locale e chiedendo dati di incidenti reali.

Lo scenario

Domanderemo agli studenti di considerare il seguente scenario, scelto per ricostruire l’incidente:

Ricostruzione della scena dell’incidente

La creazione di una scena in cui gli studenti devono indagare può richiedere fino a sei ore.

Materiali

• Un modellino di automobile (ad esempio un’automobilina a pedali per bambini, o un modello in cartone che la riproduce)
• Un bambolotto che rappresenta il pedone (di altezza 60 cm, che si adatta alle dimensioni dell’automobilina per bambini)
• Impronte delle ruote
• Testimonianze dei testimoni oculari (sono qui riportati come documenti scaricabili nella sezione dei materiali aggiuntivi, o potete creane voi stessi)
• Nastro centimetrato, rotella per misure o barra metrica.

Extra (opzionale):

• Nastro per delimitare la scena del crime in stile polizia
• Nastro isolante, per delineare la strada
• Insegna del pub e segnaletica stradale, che si possono disegnare su fogli di carta
• Semafori e/o segnali di stop
• Pavimento vinilico per riprodurre la superficie stradale, che aiuterà a definire la zona dell’incidente.

Procedura

1. Si dovrà decidere quale fattore di scala utilizzare per la simulazione e riportare in scala concordemente tutte le misurazioni. Si suggerisce una scala di 1:3, in modo che sia più aderente alla situazione reale ma abbastanza compatto per poterla realizzare all’interno.
2. Sistemare la scena per rappresentare le distanze riportate in figura 1. I pneumatici anteriori dell’auto dovrebbero trovarsi agli estremi di dove verranno tracciati le impronte delle ruote, e il pedone dovrebbe giacere sulla strada ad una distanza equivalente a 9 metri dall’automobile.

3. Marcate i segni delle ruote causate dallo slittamento, che si verifica solo quando le ruote sono bloccate dopo una forte frenata (una volta che il guidatore vede il pedone), non quando ha inizio la frenata. Utilizzate della pittura ad acqua per riportare l’impronta delle ruote sulla carta, quindi fotocopiatele. Sistemate le fotocopie formando tracce delle ruote, sistemandole tra le due ruote dell’automobile. Nel punto in cui il pedone subisce il colpo, il segno delle ruote dovrebbero subire una piccola deviazione, simile a quella riportata in figura 1. I segni dovrebbero allora continuare, da dietro l’automobile sino all’inizio dello slittamento, rispettando le dimensioni di figura 1.  
4. Fate in modo che lo scenario sembri il più verosimile. Questo si può raggiungere, ad esempio, includendo anche i segnali stradali, i  limiti di velocità della strada, le luci stradali e le insegne del pub.

Cosa devono fare gli studenti

Questa parte dell’esercitazione richiederà circa due ore (o piú, se si includono compiti aggiuntivi).

1. Prima che l’indagine abbia inizio, chiedere agli studenti di lavorare tutti insiemi per rendere sicura la scena dell’incidente (possibilmente con il nastro della polizia se è disponibile).
2. Chiedete agli studenti di capire cosa è successo osservando lo scenario (come prima). Devono analizzare la scena, descrivendo le loro osservazioni e le supposizioni iniziali su cosa pensano sia successo, anche facendo qualche fotografia.
3. Sottoponete agli studenti tre domande, le cui risposte presuppongono di fare considerazioni e calcoli. 

• Domanda 1: A quale velocità viaggiava l’automobile quando ha iniziato a slittare?
• Domanda 2: Che velocità aveva l’automobile quando si è verificato l’impatto con il pedone?
• Domanda 3: Se l’automobile viaggiava ad una velocità nei limiti imposti per la zona urbana, avrebbe potuto evitare l’impatto con il pedone?

Assicuratevi che gli studenti leggano le dichiarazioni dei testimoni oculari, ai quali è stata posta la seguente domanda: il guidatore quando è avvenuto l’incidente, procedeva ad una velocità superiore ai limiti per i centri urbani?

4. Seguite gli studenti mentre eseguono le misure sulla scena dell’incidente:

• L’intera lunghezza delle tracce delle ruote (al fine di ricavare lo spostamento del veicolo dopo che si sono bloccate le ruote e quindi si sono prodotte le impronte dello slittamento)
• La distanza dall’automobile sino al punto in cui i segni delle ruote deviano leggermente, il che indicherà dove è avvenuto l’impatto (vedi figura 1).

Per i loro calcoli gli studenti avranno bisogno anche del valore della decelerazione dell’automobile a seguito della frenata. Per ottenere questo valore, la polizia deve effettuare una prova di slittamento: guidando l’auto dell’incidente (o una identica) sullo stesso tratto di strada con analoghe condizioni meteorologiche effettuando quindi una frenata d’emergenza. Un accelerometro a bordo del veicolo ci fornisce il valore dell’accelerazione, e i test continuano sino ad ottenere risultati differenti tra loro a non più del 10%. Il minore di questi risultati sarà quello scelto da inserire nei calcoli della velocità dell’automobile: questo è un metodo abbastanza verosimile, dando al guidatore il beneficio del dubbio.

In questo scenario, gli studenti possono utilizzare i seguenti risultati provenienti da due test di decelerazione:

• –6.80 m s^–2
• –7.01 m s^–2

I calcoli

Gli studenti adesso possiedono tutte le informazioni per rispondere alle domande, che trovano qui di seguito. Utilizzate le misure ottenute dalla nostra simulazione, ma vi potrete benissimo basare sui vostri propri dati, ottenuti in modo analogo, ottenuti da incidenti stradali reali.

Domanda 1: A quale velocità stava viaggiando l’automobile quando ha cominciato a slittare?

Per calcolare la velocità istantanea o media dell’automobile quando inizia a slittare utilizziamo la seguente equazione:

v² = u² + 2as

dove: 

v = velocità finale  = 0 m s^-1

u = velocità iniziale = ?

a = accelerazione = -6.80 ms^-2 (il più basso dei due risultati ottenuti dai test di slittamento effettuati dalla polizia)

s = spostamento (lunghezza totale delle tracce dello slittamento, misurano 24.45 m)

Utilizzando l’equazione:

0 = u² + (2 x –6.8 x 24.45)

u² = 332.52

Così u = 18.2 ms^-1, o 65.6 km/h (approssimativamente 41 miglia per ora)

Domanda 2: A quale  velocità viaggiava l’automobile quando ha investito il pedone? 

Per calcolare la velocità istantanea o quella media dell’automobile quando investe il pedone, usiamo la stessa equazione:

v² = u² + 2as

Dove:

v = velocità finale =  0  m s^–1

u = velocità iniziale =  ?

a = accelerazione = – 6.80 ms^-2 (il più basso tra I valori dei test di slittamento effettuati dalla polizia)

s = spostamento (lunghezza dei segni dello slittamento dopo la collisione con il pedone, misurati a 7.17 m)

Utilizzando l’equazione:

0 = u² + (2 x –6.80 x 7.17)

u² = 97.512 m s^–1

Così u = 9.87 ms^-1, o 35.5 km/h (approssimativamente 22 miglia per ora)

Domanda 3: Se l’automobile viaggia nei limiti di velocità fissati per i centri urbani, l’automobilista avrebbe ugualmente avuto l’incidente con il pedone?

Nuovamente utilizzando la stessa equazione:

v² = u² + 2as

u = velocità iniziale = 13.41 m s^–1 (48.3 km/h, or 30 miglia per ora)

0 = 13.41² + (2 x –6.80 x s)

13.41² = 13.60 x s  

Così s = 179.86/13.60

= 13.22 m

Perciò, l’automobile viaggiando a 30 miglia per ora (limite di velocità nel Regno Unito), avrebbe dovuto fermarsi approssimativamente a 4 metri dal pedone e non avrebbe investito il pedone.

La situazione è analoga se l’automobile avesse viaggiato a 50 km/h – limite di velocità nei centri urbani nella maggior parte dei paesi Europei.

50 km/h = 13.89 m s^–1

0 = 13.89² + (2 x –6.80 x s)

13.89² = 13.60 x s  

So s = 192.91/13.60

= 14.19 m

In questo caso, l’automobile avrebbe dovuto fermarsi approssimativamente 3 m prima della posizione del pedone, e non lo avrebbe investito.

Discussione

Dai calcoli, gli studenti dovrebbero essere in grado di concludere che l’automobile stava superando i limiti di velocità imposti nei centri urbani al momento dell’investimento del pedone, così il guidatore è colpevole di aver superato i limiti di velocità. Nel caso reale, il guidatore sarebbe colpevole di guida pericolosa. Andare in carcere per otto mesi con sospensione della patente per quattro anni, per aver causato l’incidente non essendo stato in grado di frenare nella zona dell’incidente.

Abbiamo trovato che tutti gli studenti che hanno partecipato all’esercitazione avrebbero raggiunto alcune competenze – osservare, formulare ipotesi, annotare, calcolare, trarre conclusioni e valutarle – gli studenti sono stati coinvolti con successo pensando che dopo tutto la fisica non è proprio una materia così al di fuori dalla vita reale. Potremo chiederci se la lezione ha avuto lo scopo di insegnare il perché i limiti di velocità sono fissati a certi valori? Noi pensiamo di sì.

Estensione dell’esercitazione collisioni di pedoni

Potreste estendere l’esercitazione introducendo gli indizi di che cosa succede ai pedoni quando sono investiti da un’automobile. In certe simulazioni, si può utilizzare del nastro colorato (un colore per l’automobile, un altro colore per gli abiti del pedone) così gli studenti possono raccogliere le informazioni di come è stato investito il pedone e proiettato nell’incidente (vedi figure 2).   

Il documento scaricabile (vedi la sezione dei materiali aggiuntivi) della collisione con i pedoni fornisce ulteriori informazioni su cosa succede ai pedoni coinvolti negli incidenti stradali – dettagli shoccanti che dovrebbero incoraggiare gli studenti a pensare attivamente ai rischi legati alla guida degli autoveicoli.

 

Riconoscimenti

L’autore vorrebbe ringraziare le seguenti persone e organizzazioni per il loro aiuto per la realizzazione di questo progetto:

• La Royal Society, per aver finanziato attraverso lo schema di Partenariato
• Gli Ispettori Neil Hewitson e Campbell Moffat e la squadra della Polizia Scozzese della Divisione del Traffico di Galloway e e Dumfries, per aver spiegato la fisica dell’incidente stradale e per aver fornito gli scenari agli studenti
• La Radcliffe Trust, per aver finanziato la diffusione di questo lavoro
• La Magnovox, per aver finanziato ulteriormente il progetto della sicurezza stradale.

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Supporting materials

Testimonianze oculari (word)

Testimonianze oculari (pdf)

Incidente pedonale (word)

Incidente pedonale (pdf)

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