エアバッグの驚くべき物理学

こんな会議が想像できます。12人のエンジニアが会議テーブルを囲み、自動車の安全性について議論しています。交通事故の際、どうすれば人命を守れるでしょうか？シートベルトやクラッシャブルゾーンはすでに車に装備されています。他に何か追加できることはないでしょうか？参加者の一人が渋々手を挙げて提案します。「ハンドルに爆弾を仕掛けたらどうですか？」素晴らしい。まさにそれをやります。車に爆弾を仕掛ければ、命が救われるのです。

彼らは正しかった。エアバッグは爆発物であり、命を救うものだが、それでもまだ突飛なアイデアだ。

自動車用エアバッグの元々のアイデアは1950年代初頭に遡ります。正確には爆発力を利用した装置ではなく、圧縮ガスを放出して一種の袋状の容器を満たすというものでした。しかし、この設計はあまりうまく機能しませんでした。膨張速度が不十分だったのです。エアバッグを実用的に膨張させるには、爆発物を使うしかないことが判明しました。厳密に言えば、エアバッグにガスを充填する化学反応ですが、実質的には爆発です。

では、エアバッグはどれくらいの速さで膨らむ必要があるのでしょうか？最小の膨らみ時間を概算してみましょう。

状況はこうだ。ピクニックにぴったりの日だ。さあ、ピクニックに行きましょうか？食べ物は私が持って行くから、ブランケットはあなたが持ってきてください。車に乗って、私が運転します。車を走らせていると、突然…道路に鹿が！急ハンドルを切って、木に激突！ドスン。

車は時速わずか35マイル（秒速15.6メートル）で走行しており、木に衝突した瞬間に停止しました（これは事実ではありませんが、ほぼ正確です）。推定すべき重要な点がもう一つあります。それは、運転手からハンドルまでの距離です。私は寛大に0.5メートルと仮定しますが、実際にはそれよりも低いでしょう。

実際に何が起こるか見てみましょう。人間は、停止したばかりの車の中で秒速15.6メートルで移動しています。エアバッグは、人間が停止したハンドルに衝突する前に展開しなければなりません。ここで物理的な説明をしましょう。人間に力がかかっていないと仮定すると（シートベルトについては今は忘れてください）、人間の速度は一定です。この一定速度であれば、1次元の平均速度の定義のみを用いて衝突までの時間を計算できます。

速度を15.6m/s、距離を0.5メートルとすると、衝突時間は0.032秒となります。これは瞬きほどの非常に短い時間です。まあ、実際には約0.1秒かかると思われる「瞬き」よりも短いのです。しかし、ちょっと待ってください！さらに悪い結果になります。この計算時間は、人間がハンドルを叩くのにかかる時間です。しかし、ここでの考え方は、人間がエアバッグにぶつかるというものです。つまり、この時間内にエアバッグが膨張しなければならないだけでなく、人が移動できる距離も短くなってしまいます。仮に距離が半分になったとすると、膨張時間も約0.016秒と半分に短縮されます。

10分の1秒以下で風船を膨らませてみましょう。ほぼ不可能です。では、同じことをもっと短い時間で、もっと大きな袋でやってみてください。空気では無理です。唯一の解決策は、爆発させてガスを発生させ、エアバッグに空気を充填することです。

想像以上にクレイジーです。この衝突（時速わずか35マイル）に何が起こるか想像してみましょう。

車が木に衝突した。
車内の何かが衝突を検知しなければなりません。「おやおや、衝突しそうだ」と知らせてくれる加速度計が必要です。
このセンサーはエアバッグに信号を送り、エアバッグは内部の「爆発物」に点火します。
爆発によりバッグが膨張します。

これらすべては、人間がエアバッグにぶつかる前に起こらなければなりません。おかしいですね。確かに、シートベルトは衝突時に人間の速度を低下させる効果もあります。これにより、エアバッグが展開するまでの時間が少し長くなります。だからこそ、たとえエアバッグが装備されていたとしても、シートベルトを着用すべきなのです。あるいは、道路を走る鹿に気を付けて、安全運転を心がけた方が良いでしょう。

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