چگونه مدل‌های مهندسی قدیمی، بحث امروز دربارهٔ خودروهای برقی و عوارض جاده‌ای را منحرف می‌کنند .

بحث وزن خودرو و آسیب جاده نشان می‌دهد که چگونه یک ایدهٔ ساده—even با وجود شواهد ضعیف—می‌تواند به‌سرعت فراگیر شود. بسیاری از افراد فوراً به این ادعا متوسل می‌شوند که «خودروهای سنگین‌تر حتماً باعث فرسایش بیشتر جاده می‌شوند». این استدلال در نگاه اول منطقی به نظر می‌رسد و با این شهود ساده هم‌خوانی دارد که وزن بیشتر باید به معنای آسیب بیشتر باشد.

مشکل اینجاست که شهود، راهنمای خوبی برای مهندسی روسازی نیست. بیشتر جاده‌های مدرن برای تحمل بار محوری بسیار بالاتر از هر چیزی در ناوگان خودروهای سبک طراحی شده‌اند. تنها سنگین‌ترین وسایل نقلیهٔ تجاری هستند که روسازی را به مرزهای طراحی‌شدهٔ آن نزدیک می‌کنند. خودروهای سواری، کراس‌اوورها، شاسی‌بلندها و وانت‌ها آن‌قدر پایین‌تر از این حدود قرار دارند که تفاوت وزنشان در اغلب مدل‌های مهندسی مربوط به خستگی روسازی یا ایجاد شیار (Rutting) اصلاً قابل تشخیص نیست.

این تصور که خودروهای برقی یا حتی بزرگ‌ترین شاسی‌بلندهای آمریکایی به دلیل وزن بیشترشان آسیب قابل‌توجهی به جاده وارد می‌کنند، در برابر پژوهش‌های مهندسی معاصر چندان دوام نمی‌آورد.
این بحث از آن‌جا شکل گرفت که من اخیراً دربارهٔ نابرابری میان هزینه‌های اجتماعی خودروهای درون‌سوز و خودروهای برقی مطلبی منتشر کردم. در آن مطلب به داده‌های OECD و بریتانیا اشاره کردم که نشان می‌دهند خودروهای درون‌سوز تقریباً سه برابر خودروهای برقی هزینهٔ اجتماعی دارند؛ اما این به آن معنا نیست که خودروهای برقی بی‌هزینه‌اند.

همچنین توضیح دادم که مالیات سوخت و طرح‌های مشابه، حتی نزدیک به تأمین هزینهٔ جاده‌ها هم نیستند—با وجود اینکه در ابتدا دقیقاً برای همین هدف طراحی شده بودند. در عمل، مالیات سوخت معمولاً تنها یک‌پنجم هزینهٔ نگه‌داری جاده‌ها را پوشش می‌دهد. آنچه واقعاً هزینهٔ جاده‌ها را تأمین می‌کند، درآمد عمومی دولت‌ها و—در جاهایی که وجود دارد—عوارض استفاده است.

پیشنهاد من این بود که یک سیستم منطقی برای دریافت هزینه از مالکان خودرو بر اساس مسافت سالانهٔ طی‌شده ایجاد شود؛ سیستمی که برای همهٔ وسایل نقلیهٔ جاده‌ای اعمال شود و بر پایهٔ هزینه‌های اجتماعی واقعی استفادهٔ آن‌ها باشد. در این مدل، رانندگان خودروهای درون‌سوز به‌ازای هر کیلومتر سه برابر رانندگان خودروهای برقی پرداخت می‌کنند، و رانندگان خودروهای برقی نیز سهم خود را می‌پردازند. علاوه بر این، تفاوت‌های معقولی برای ساکنان مناطق روستایی در مقابل شهری و همچنین برای پایین‌ترین پنجک درآمدی در نظر گرفته می‌شود.
چندین نفر از کاربران می‌خواستند «آسیب جاده» را هم به فهرست اضافه کنند. از آن‌جا که در صفحات CleanTechnica و زیر مقالهٔ من نظر می‌گذاشتند، قصد حمله به خودروهای برقی را نداشتند، اما آشکارا به شاسی‌بلندها و وانت‌های غول‌پیکری فکر می‌کردند که در آمریکا بسیار رایج‌اند؛ همان «کشتی‌های زمینی» که از قد بلندترین انسان‌ها هم بزرگ‌ترند و جلوپنجره‌هایشان گاهی به اندازهٔ قد یک زن متوسط‌القامت ارتفاع دارد. اما آسیب جاده ناشی از خودروهای شخصی سنگین‌تر نیست.

بخش زیادی از این سردرگمی به «قانون توان چهارم» بازمی‌گردد. این قانون از یک آزمایش واحد در ایالت ایلینوی در دههٔ ۱۹۵۰ زاده شد و مدت‌هاست که عمر مفیدش را پشت سر گذاشته است. آزمایش جاده‌ای AASHO بررسی می‌کرد که روسازی‌ها در برابر عبور مکرر کامیون‌ها در شرایط کنترل‌شده چگونه واکنش نشان می‌دهند. در طول مطالعه، یخ‌زدگی و برآمدگی خاک (Frost Heave) به مسیر آزمایش آسیب زد و این آسیب به کامیون‌ها نسبت داده شد.

خودِ تحلیل آماری نیز مشکلاتی داشت؛ از جمله این‌که تفاوت‌های عمر روسازی را به بار محوری نسبت می‌داد، در حالی که این بارها واقعاً مسئول بخش عمدهٔ اتفاقات نبودند. نتیجهٔ کار، یک معادلهٔ زیبا و فریبنده بود که ادعا می‌کرد آسیب جاده با توان چهارم وزن محور افزایش می‌یابد.

چنین معادله‌ای مقاومت‌ناپذیر است: ساده است، ظاهری علمی و کمی دارد، و دهه‌ها دست‌به‌دست شده است. مشکل اینجاست که این معادله به شرایط خاص خاکی محلی، دامنهٔ بسیار محدود طراحی روسازی‌ها و وسایل نقلیه‌ای وابسته بود که دیگر هیچ شباهتی به خودروهای امروزی ندارند.

پژوهش‌هایی که از دههٔ ۱۹۸۰ به بعد انجام شد—از جمله کارهای دیوید سبون در دانشگاه کمبریج، که من مفصل با او دربارهٔ این موضوع صحبت کرده‌ام—محدودیت‌های این نگاه را کاملاً روشن کرد. فرسایش روسازی با یک متغیر واحد تعیین نمی‌شود. این پدیده تحت‌تأثیر عوامل سازه‌ای، محیطی و دینامیکی قرار دارد که در طول زمان تغییر می‌کنند. بار محوریِ ایستا تنها یکی از عوامل است، اما آسیب واقعی به‌شدت تحت‌تأثیر نیروهای دینامیکی تایر قرار دارد که از رفتار سیستم تعلیق، زبری سطح جاده، طراحی تایر و سرعت خودرو ناشی می‌شوند. ساختار روسازی، استحکام بستر، دما و رطوبت نیز همگی بر نحوهٔ واکنش لایه‌ها به این بارها اثر می‌گذارند. خستگی و ایجاد شیار (Rutting) نیز در شرایط فصلی مختلف به‌گونه‌ای متفاوت انباشته می‌شوند.

وقتی مهندسان این سیستم‌ها را با ابزارهای مدرن مدل‌سازی می‌کنند، می‌بینند که «قانون توان چهارم» معمولاً پیش‌بینی‌کنندهٔ ضعیفی برای عمر واقعی روسازی است. همان‌طور که سبون در بیش از یک گفت‌وگو اشاره کرده، اگر این قانون دقیق بود، بزرگراه‌های میشیگان باید هر سال به‌طور کامل نابود می‌شدند، چون وزن قانونی کامیون‌ها در آن ایالت بسیار بالاست. این‌که چنین اتفاقی نمی‌افتد، نشان‌دهندهٔ ناکارآمدی این مدل ساده‌انگارانهٔ مبتنی بر وزن است.

ایالت میشیگان یک آزمون دنیای واقعی عالی برای سنجش این فرضیات است. این ایالت اجازه می‌دهد ترکیب‌های کامیونی با وزن ناخالص تا ۱۶۴ هزار پوند—حدود ۷۴٫۴ تُن متریک—در جاده‌ها تردد کنند؛ یعنی تقریباً دو برابر حد معمول برای کامیون‌های کلاس ۸ در بسیاری از نقاط دیگر. اگر مقیاس‌گذاری بر اساس توان چهارم درست بود، جاده‌های میشیگان باید با سرعتی تخریب می‌شدند که نیاز به آسفالت‌ریزی مداوم پیدا می‌کردند. اما چنین اتفاقی نمی‌افتد.

تجربهٔ میشیگان نشان می‌دهد که پیکربندی محورها، توزیع دینامیکی بار و طراحی روسازی بسیار مهم‌تر از عدد خام «وزن ناخالص وسیلهٔ نقلیه» هستند. یک کامیون چندمحورهٔ خوب‌طراحی‌شده بار را به‌گونه‌ای روی روسازی پخش می‌کند که تنش وارد بر آن را به‌شدت کاهش می‌دهد.

شبکهٔ جاده‌ای آسفالتهٔ میشیگان، مانند هر شبکهٔ ایالت‌های شمالی، مشکلاتی دارد، اما این مشکلات هیچ شباهتی به فروپاشی‌های فاجعه‌باری که مدل سادهٔ توان چهارم پیش‌بینی می‌کند، ندارند.

با وجود این هشدارهای روشن، «قانون توان چهارم» در دههٔ گذشته دوباره جان گرفت و به ابزاری برای حمله به خودروهای برقی تبدیل شد. این قانون بارها در بحث‌های آنلاین، دیدگاه‌های سیاست‌گذاری و تحلیل‌های خبری ظاهر می‌شود. استدلال معمول این است: خودروهای برقی سنگین‌ترند، پس باید فرسایش جاده را افزایش دهند، پس مالکان آن‌ها باید عوارض جاده‌ای بیشتری بپردازند.

مشکل اینجاست که تفاوت جرم میان خودروهای برقی سبک و خودروهای درون‌سوز مشابه، هیچ تغییر قابل‌تشخیصی در عمر روسازی ایجاد نمی‌کند. بارهای واردشده از سوی خودروهای سبک به‌طور مطلق بسیار کوچک‌تر از آن هستند که اثر معناداری داشته باشند. بخش عمدهٔ فرسایش جاده ناشی از کامیون‌های سنگین است، نه خودروهای سواری یا شاسی‌بلندها.

حتی اگر همین منطق را به شاسی‌بلندها و وانت‌ها تعمیم دهیم، باز هم نتیجه ضعیف است؛ زیرا تفاوت میان یک کراس‌اوور ۱۸۰۰ کیلویی و یک وانت ۲۴۰۰ کیلویی در برابر نیروهای دینامیکی‌ای که یک تریلی کاملاً بارگیری‌شده ایجاد می‌کند، کاملاً ناچیز است.

سوءاستفاده از «قانون توان چهارم» شاید یک جملهٔ جذاب برای بحث‌های عمومی بسازد، اما مدل دقیقی از هزینهٔ اجتماعی ارائه نمی‌دهد.

جایی که وزن واقعاً اهمیت پیدا می‌کند، در تصادفات است. قوانین فیزیک بی‌رحم‌اند. انرژی جنبشی با توان دوم سرعت افزایش می‌یابد. برخوردی با سرعت ۴۰ مایل بر ساعت تقریباً دو برابر انرژیِ برخوردی با سرعت ۳۰ مایل بر ساعت دارد. در سرعت ۵۰ مایل بر ساعت، انرژی تقریباً سه برابر می‌شود. خودروهای سنگین‌تر به همان نسبت انرژی جنبشی بیشتری حمل می‌کنند و مقدار بیشتری از آن را به هر چیزی که با آن برخورد کنند منتقل می‌کنند.

وقتی یک جلوی بلندِ خودرو با یک عابر برخورد می‌کند، پیامدها بسیار بدتر از برخورد با یک خودروی کم‌ارتفاع است—even اگر سرعت‌ها یکسان باشند. مشکلات دید و افزایش فاصلهٔ ترمزگیری نیز خطر را بیشتر می‌کنند. افزایش وزن شاسی‌بلندها و وانت‌ها با افزایش آسیب‌های عابران پیاده مرتبط است، زیرا ریاضیات انتقال انرژی تقریباً هیچ نتیجهٔ دیگری را ممکن نمی‌گذارد.

تعامل جرم و سرعت توضیح می‌دهد که چرا خطر به این سرعت افزایش می‌یابد. اگر جرم را دو برابر کنید و سرعت را ۵۰٪ بالا ببرید، انرژیِ ضربه‌ایِ حاصل حدود ۴٫۵ برابر می‌شود. این ضریب اصلاً شهودی نیست، و به همین دلیل بسیاری از مردم خطر خودروهای بزرگ‌تر و سریع‌تر را دست‌کم می‌گیرند.

همین مسئله در مورد شتاب‌گیری نیز دیده می‌شود. خودروهای برقی می‌توانند خیلی سریع به سرعت‌های بالا برسند. چین این موضوع را جدی گرفت و یک شتاب‌گیری پیش‌فرضِ محدودشده تعیین کرد: پنج ثانیه از صفر تا ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت برای خودروهای برقی، و شتاب‌گیری سریع‌تر تنها زمانی فعال می‌شود که کاربر آگاهانه آن را انتخاب کند.

مسئله، خودِ فناوری نیست؛ بلکه تعامل میان جرم، سرعت و زمان واکنش انسان است.

یک مسئلهٔ مرتبط، شکل جلوی بسیاری از شاسی‌بلندها و وانت‌ها است. جلوپنجره‌های بلند و تخت، به‌جای برخورد با پاها، مستقیماً به تنه یا سر عابر برخورد می‌کنند؛ و این یعنی دیگر امکان این وجود ندارد که بخش پایینی بدن بخشی از ضربه را جذب کند و بالاتنه روی کاپوت بچرخد. همین چرخش است که در برخورد با خودروهای سواری کم‌ارتفاع، اغلب از جراحات مرگبار جلوگیری می‌کند.

وقتی لبهٔ جلویی خودرو بلند و عمودی باشد، انرژی ضربه مستقیماً به قفسهٔ سینه و اندام‌های حیاتی منتقل می‌شود. این هندسه همچنین احتمال این را افزایش می‌دهد که عابر به جلو و پایین پرتاب شود نه به بالا؛ و این خطر زیر گرفته شدن را بیشتر می‌کند.

این انتخاب‌های طراحی، بازتابی از سلیقهٔ مشکوک صاحبان این خودروهاست، اما در محیط‌های شهری—جایی که عابران و دوچرخه‌سواران فضای محدودی را با خودروهای بزرگ و سریع به اشتراک می‌گذارند—خطر واقعی ایجاد می‌کنند.

اگر خودروهای سنگین‌تر آسیب معناداری به جاده‌ها وارد نمی‌کنند اما ریسک تصادف را افزایش می‌دهند، پس راه‌حل سیاستی در عوارض جاده‌ای مبتنی بر وزن نیست. راه‌حل در مدیریت سرعت، هندسهٔ خودرو و میزان مواجهه قرار دارد. محدودیت‌های سرعت معقول که واقعاً اجرا شوند، ایمنی را افزایش می‌دهند. حذف معافیت‌های آلایندگی برای شاسی‌بلندها و وانت‌های بزرگ، پاسخ‌گویی را بهبود می‌بخشد. آزمون‌های ایمنی خودرو که تأثیر بالقوه بر عابران پیاده و دوچرخه‌سواران را نیز در نظر بگیرند، اهمیت دارند. طراحی بهتر خیابان‌ها نقاط تعارض را کاهش می‌دهد. آرام‌سازی ترافیک انرژیِ برخوردهای اجتناب‌ناپذیر را کاهش می‌دهد. گزینه‌های حمل‌ونقل بیشتر نیز مجموع کیلومترهای پیمایش‌شده با خودرو را کم می‌کند.

این اقدامات با آنچه مهندسان ایمنی ترافیک دربارهٔ ریسک می‌دانند هم‌راستا هستند، نه با آنچه برخی کاربران دربارهٔ وزن خودروها فرض می‌کنند.

گفت‌وگو دربارهٔ وزن خودروهای برقی و هزینهٔ اجتماعی آن‌ها زمانی واقع‌بینانه‌تر می‌شود که تفاوت میان فرسایش جاده و فیزیکِ تصادف به‌روشنی بیان شود. جاده‌ها به این دلیل خراب نمی‌شوند که یک خودروی برقی چندصد کیلوگرم سنگین‌تر از یک خودروی درون‌سوز است، یا حتی وقتی یک شاسی‌بلند یا وانتِ بیش‌ازحد بزرگ از روی آن عبور می‌کند. جاده‌ها زمانی از کار می‌افتند که بارهای دینامیکیِ وسایل نقلیهٔ سنگین—به‌ویژه روی روسازی‌های ناهموار—از توان جذب سازهٔ روسازی فراتر برود.

در مقابل، انسان‌ها زمانی آسیب می‌بینند یا جان می‌بازند که جرم و سرعت یک خودرو انرژی جنبشی‌ای ایجاد کند که بدن انسان توان تحمل آن را ندارد. درک این تفاوت، مسیر بهتری برای سیاست‌گذاری فراهم می‌کند و پایهٔ محکم‌تری برای ارزیابی این‌که گذار به حمل‌ونقل برقی واقعاً چه چیزهایی را تغییر می‌دهد.