Fizyka zderzenia samochodu

Podczas wypadku samochodowego energia jest przenoszona z pojazdu na wszystko, co uderzy, czy to inny pojazd, czy nieruchomy obiekt. Ten transfer energii, w zależności od zmiennych, które zmieniają stany ruchu, może powodować obrażenia i uszkadzać samochody i mienie. Obiekt, który został uderzony, albo pochłonie energię wyrzuconą na niego, albo ewentualnie przeniesie tę energię z powrotem na pojazd, który go uderzył. Koncentrując się na rozróżnieniu między siła i energia może pomóc wyjaśnić związaną z tym fizykę.

Wypadki samochodowe są wyraźnym przykładem tego, jak to zrobić Prawa ruchu Newtona praca. Jego pierwsze prawo ruchu, zwane również prawem bezwładności, stwierdza, że ​​poruszający się obiekt pozostanie w ruchu, chyba że działająca na niego siła zewnętrzna. I odwrotnie, jeśli obiekt jest w spoczynku, pozostanie w spoczynku, dopóki nie wywiera na niego niezrównoważonej siły.

Rozważ sytuację, w której samochód A zderza się ze statyczną, nietłukącą się ścianą. Sytuacja zaczyna się od samochodu A poruszającego się z prędkością (v

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

Należy zauważyć, że jest to wyidealizowany model. W przypadku samochodu A, jeśli uderzy w ścianę i natychmiast się zatrzyma, byłoby to idealnie nieelastyczne zderzenie. Ponieważ ściana w ogóle się nie pęka ani nie rusza, cała siła samochodu w ścianę musi gdzieś iść. Albo ściana jest tak masywna, że ​​przyspiesza lub porusza się niezauważalnie, albo w ogóle się nie porusza, w którym to przypadku siła zderzenia działa na samochód i całą planetę, która jest oczywiście tak ogromna, że ​​skutki są nieistotny.

W sytuacji, gdy samochód B zderza się z samochodem C, mamy różne względy dotyczące siły. Zakładając, że samochód B i samochód C są ze sobą kompletnymi zwierciadłami (znowu jest to wysoce wyidealizowana sytuacja), zderzyliby się ze sobą dokładnie tak samo prędkość ale w przeciwnych kierunkach. Z zachowania pędu wiemy, że oba muszą się zatrzymać. Masa jest taka sama, dlatego siła odczuwana przez samochód B i samochód C jest identyczna, a także identyczna z siłą działającą na samochód w przypadku A w poprzednim przykładzie.

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

Siła jest wektor ilość podczas energia kinetyczna jest ilość skalarna, obliczone ze wzoru K = 0,5 mv². W drugiej powyższej sytuacji 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 zderzenia nieelastyczne, energia kinetyczna nie jest zachowana, ale całkowita energia jest zawsze zachowywany, więc energia kinetyczna „utracona” w zderzeniu musi przekształcić się w inną formę, taką jak ciepło, dźwięk itp.

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

Rozważ główne różnice między tymi dwiema sytuacjami. Na poziom kwantowy cząsteczek, energii i materii można zasadniczo zamieniać między stanami. Fizyka zderzenia samochodu nigdy, niezależnie od tego, jak energiczna, nie wyemituje zupełnie nowego samochodu.

Samochód doświadczyłby dokładnie takiej samej siły w obu przypadkach. Jedyną siłą działającą na samochód jest nagłe spowolnienie prędkości od v do 0 w krótkim czasie, w wyniku zderzenia z innym przedmiotem.

Jednak podczas oglądania całego systemu kolizja w sytuacji dwóch samochodów uwalnia dwa razy więcej energii niż kolizja ze ścianą. Jest głośniej, cieplej i prawdopodobnie bałagan. Najprawdopodobniej samochody połączyły się ze sobą, kawałki odlatywały w losowych kierunkach.

Właśnie dlatego fizycy przyspieszają cząstki w zderzaczu, aby badać fizykę wysokich energii. Akt zderzenia dwóch wiązek cząstek jest przydatny, ponieważ w zderzeniach cząstek tak naprawdę nie zależy ci na sile 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 Teoria względności Einsteina. Aby wycisnąć dodatkową energię z kolizji, zamiast zderzać wiązkę cząstek o prędkości bliskiej prędkości światła z nieruchomym obiekcie, lepiej zderzyć go z inną wiązką cząstek o prędkości bliskiej prędkości światła, która jest przeciwna kierunek.

Z punktu widzenia cząsteczki nie tyle „niszczą więcej”, ale kiedy zderzają się dwie cząstki, uwalniana jest większa energia. W zderzeniach cząstek energia ta może przybrać postać innych cząstek, a im więcej energii wyciągniesz z kolizji, tym bardziej egzotyczne są cząstki.