Физиката на автомобилния сблъсък

По време на автомобилна катастрофа енергията се прехвърля от автомобила до каквото удари, било то друго превозно средство или неподвижен обект. Този трансфер на енергия, в зависимост от променливите, които променят състоянията на движение, може да причини наранявания и да повреди автомобили и имущество. Обектът, който беше ударен, или ще поглъща енергийната тяга върху него, или евентуално ще прехвърли тази енергия обратно на превозното средство, което го е ударило. Фокусиране върху разликата между сила и енергия може да помогне да се обясни участващата физика.

Сила: сблъсък със стена

Автомобилните катастрофи са ясни примери за това как Законите за движение на Нютон работа. Първият му закон за движение, наричан още закон на инерцията, твърди, че даден обект в движение ще остане в движение, освен ако върху него не действа външна сила. И обратно, ако един обект е в покой, той ще остане в покой, докато върху него не действа небалансирана сила.

Помислете за ситуация, при която автомобил А се сблъсква със статична, нечуплива стена. Ситуацията започва с кола A, пътуваща със скорост (v

) и при сблъсък със стената, завършващ със скорост 0. Силата на тази ситуация е дефинирана от втория закон на движението на Нютон, който използва уравнението на силата, равно на масата на ускорението. В този случай ускорението е (v - 0) / t, където t е каквото и време да отнеме кола А да спре.

Колата упражнява тази сила в посока на стената, но стената, която е статична и нечуплива, упражнява равна сила назад върху колата, съгласно третия закон за движение на Нютон. Тази равна сила е причината автомобилите да се хармонират по време на сблъсъци.

Важно е да се отбележи, че това е ан идеализиран модел. В случай на кола А, ако се блъсне в стената и незабавно спре, това би било a съвършено нееластичен сблъсък. Тъй като стената не се счупва или не се движи, пълната сила на колата в стената трябва да отиде някъде. Или стената е толкова масивна, че ускорява, или се движи незабележимо количество, или изобщо не се движи, в този случай сила на сблъсъка действа върху автомобила и цялата планета, последната от които очевидно е толкова масивна, че ефектите са незначително.

Сила: Сблъсък с автомобил

В ситуация, в която кола Б се сблъсква с кола С, имаме различни съображения за сила. Ако приемем, че автомобил В и кола С са пълни огледала един на друг (отново това е силно идеализирана ситуация), те биха се сблъскали помежду си, като вървят точно по същия начин скорост но в противоположни посоки. От запазването на инерцията знаем, че и двамата трябва да си починат. Масата е еднаква, следователно силата, изпитвана от кола Б и кола С, е идентична и също идентична на тази, действаща върху колата в случай А в предишния пример.

Това обяснява силата на сблъсъка, но има втора част на въпроса: енергията в рамките на сблъсъка.

Енергия

Силата е a вектор количество, докато кинетична енергия е скаларно количество, изчислено с формулата K = 0,5mv2. Във втората ситуация по-горе всеки автомобил има кинетична енергия K непосредствено преди сблъсъка. В края на сблъсъка и двата автомобила са в покой, а общата кинетична енергия на системата е 0.

Тъй като тези са нееластични сблъсъци, кинетичната енергия не се запазва, но обща енергия винаги се запазва, така че кинетичната енергия, „загубена“ при сблъсъка, трябва да се преобразува в някаква друга форма, като топлина, звук и т.н.

В първия пример, при който се движи само един автомобил, енергията, освободена по време на сблъсъка, е K. Във втория пример обаче две се движат автомобили, така че общата енергия, освободена по време на сблъсъка, е 2К. Така че катастрофата в случай Б е очевидно по-енергична от случая А катастрофа.

От автомобили до частици

Помислете за основните разлики между двете ситуации. В квантово ниво частици, енергия и материя могат основно да се разменят между състояния. Физиката на автомобилния сблъсък никога няма, колкото и да е енергична, да излъчи напълно нов автомобил.

Колата би изпитала абсолютно една и съща сила и в двата случая. Единствената сила, която действа върху автомобила, е внезапното забавяне от скоростта v до 0 за кратък период от време, поради сблъсъка с друг обект.

При гледане на тоталната система обаче, сблъсъкът в ситуацията с две коли отделя два пъти повече енергия от сблъсъка със стена. Тя е по-силна, по-гореща и вероятно по-мека. По всяка вероятност колите са се слели една в друга, парчета са излетели в произволни посоки.

Ето защо физиците ускоряват частиците в коллайд, за да изучават високоенергийна физика. Актът на сблъскване на два лъча частици е полезен, тъй като при сблъсъци с частици не се интересувате наистина от силата на частиците (която всъщност никога не измервате); вместо това ти пука за енергията на частиците.

Ускорителят на частици ускорява частиците, но го прави с много реално ограничение на скоростта, продиктувано от скоростта на светлинна бариера от Теорията на относителността на Айнщайн. За да изтръгнете малко допълнителна енергия от сблъсъците, вместо да сблъскате лъч от частици с почти светлинни скорости с неподвижен обект, по-добре е да го сблъскате с друг лъч от частици с почти светлинна скорост, които вървят точно обратното посока.

От гледна точка на частиците те не се „разрушават повече“, но когато двете частици се сблъскат, се отделя повече енергия. При сблъсъци на частици тази енергия може да приеме формата на други частици и колкото повече енергия издърпвате от сблъсъка, толкова по-екзотични са частиците.