Fizyka zderzenia samochodowego

W katastrofę zaangażowane są energia i siła

Lee Haywood/Flickr/CC BY-SA 2.0

Podczas wypadku samochodowego energia jest przenoszona z pojazdu na wszystko, w co uderzy, czy to inny pojazd, czy nieruchomy obiekt. Ten transfer energii, w zależności od zmiennych, które zmieniają stany ruchu, może powodować obrażenia oraz uszkodzenia samochodów i mienia. Uderzony obiekt albo pochłonie energię, która go uderzyła, albo prawdopodobnie przekaże tę energię z powrotem do pojazdu, który go uderzył. Koncentrując się na rozróżnieniu między zmuszać oraz energia może pomóc wyjaśnić związaną z tym fizykę.

Siła: zderzenie ze ścianą

Wypadki samochodowe są wyraźnymi przykładami tego, jak Prawa dynamiki Newtona praca. Jego pierwsze prawo ruchu, zwane również prawem bezwładności, zakłada, że ​​obiekt w ruchu pozostanie w ruchu, chyba że zadziała na niego siła zewnętrzna. I odwrotnie, jeśli obiekt jest w spoczynku, pozostanie w spoczynku, dopóki nie zadziała na niego niezrównoważona siła.

Rozważmy sytuację, w której samochód A zderza się ze statyczną, niezniszczalną ścianą. Sytuacja zaczyna się od samochodu A jadącego z prędkością (v ) i, po zderzeniu ze ścianą, kończy się z prędkością 0. Siła tej sytuacji jest określona przez drugie prawo dynamiki Newtona, które wykorzystuje równanie siły równej masie i przyspieszeniu. W tym przypadku przyspieszenie wynosi (v - 0)/t, gdzie t oznacza czas, w którym samochód A się zatrzymuje.

Samochód wywiera tę siłę w kierunku ściany, ale ściana, która jest statyczna i niezniszczalna, wywiera na samochód równą siłę, zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona. Ta równa siła powoduje, że samochody podnoszą się podczas kolizji.

Należy pamiętać, że jest to wyidealizowany model . W przypadku samochodu A, jeśli uderzy w ścianę i natychmiast się zatrzyma, będzie to idealnie nieelastyczna kolizja . Ponieważ ściana w ogóle się nie łamie ani nie rusza, cała siła uderzenia samochodu w ścianę musi gdzieś trafić. Albo ściana jest tak masywna, że ​​przyspiesza, albo porusza się niezauważalnie, albo wcale się nie porusza, w takim przypadku siła zderzenia działa na samochód i całą planetę, z których ta ostatnia jest oczywiście tak ogromne, że efekty są znikome.

Siła: zderzenie z samochodem

W sytuacji zderzenia samochodu B z samochodem C mamy do czynienia z różnymi siłami. Zakładając, że samochód B i samochód C są swoimi kompletnymi lusterkami (ponownie, jest to wysoce wyidealizowana sytuacja), zderzyłyby się ze sobą idąc dokładnie w tym samym prędkość ale w przeciwnych kierunkach. Z zachowania pędu wiemy, że oboje muszą odpocząć. Masa jest taka sama, a zatem siła działająca na samochód B i samochód C jest identyczna, a także identyczna z siłą działającą na samochód w przypadku A w poprzednim przykładzie.

To wyjaśnia siłę zderzenia, ale jest druga część pytania: energia w zderzeniu.

Energia

Siła jest wektor ilość podczas energia kinetyczna jest ilość skalarna , obliczony ze wzoru K = 0,5mv^dwa. W drugiej sytuacji powyżej, każdy samochód ma energię kinetyczną K bezpośrednio przed zderzeniem. Pod koniec zderzenia oba samochody są w spoczynku, a całkowita energia kinetyczna układu wynosi 0.

Ponieważ są to zderzenia nieelastyczne , energia kinetyczna nie jest zachowana, ale całkowita energia jest zawsze zachowana, więc energia kinetyczna „stracona” w zderzeniu musi zostać przekształcona w inną formę, taką jak ciepło, dźwięk itp.

W pierwszym przykładzie, w którym porusza się tylko jeden samochód, energia uwalniana podczas zderzenia wynosi K. W drugim przypadku jednak poruszają się dwa samochody, więc całkowita energia uwalniana podczas zderzenia wynosi 2K. Tak więc katastrofa w przypadku B jest wyraźnie bardziej energetyczna niż w przypadku A.

Od samochodów do cząstek

Rozważ główne różnice między tymi dwiema sytuacjami. Na poziom kwantowy cząstek, energii i materii mogą w zasadzie przełączać się między stanami. Fizyka zderzenia samochodu nigdy, nieważne jak bardzo energetycznego, nie wyemituje zupełnie nowego samochodu.

W obu przypadkach samochód doświadczyłby dokładnie tej samej siły. Jedyną siłą działającą na samochód jest nagłe wyhamowanie z prędkości v do 0 w krótkim czasie, spowodowane zderzeniem z innym obiektem.

Jednak patrząc na cały system zderzenie w sytuacji z dwoma samochodami uwalnia dwa razy więcej energii niż zderzenie ze ścianą. Jest głośniejszy, cieplejszy i prawdopodobnie bardziej bałaganiarski. Najprawdopodobniej samochody zlały się ze sobą, kawałki odlatują w przypadkowych kierunkach.

Dlatego fizycy przyspieszają cząstki w zderzaczu, aby badać fizykę wysokich energii. Zderzanie dwóch wiązek cząstek jest przydatne, ponieważ w zderzeniach cząstek tak naprawdę nie obchodzi cię siła cząstek (której tak naprawdę nigdy nie mierzysz); zamiast tego troszczysz się o energię cząstek.

Akcelerator cząstek przyspiesza cząstki, ale robi to z bardzo realnym ograniczeniem prędkości podyktowanym prędkością bariery świetlnej z Teoria względności Einsteina . Aby wycisnąć dodatkową energię ze zderzeń, zamiast zderzać wiązkę cząstek o prędkości bliskiej prędkości światła z nieruchomym obiektem, lepiej zderzyć ją z inną wiązką cząstek o prędkości bliskiej prędkości światła, jadącą w przeciwnym kierunku.

Z punktu widzenia cząsteczki, nie tyle „rozbijają się bardziej”, ale kiedy zderzają się dwie cząsteczki, uwalniane jest więcej energii. W zderzeniach cząstek energia ta może przybrać postać innych cząstek, a im więcej energii wyciągasz ze zderzenia, tym bardziej egzotyczne są te cząstki.