Η φυσική μιας σύγκρουσης αυτοκινήτων

Κατά τη διάρκεια συντριβής αυτοκινήτου, η ενέργεια μεταφέρεται από το όχημα σε ό, τι χτυπά, είτε πρόκειται για άλλο όχημα είτε για ακίνητο αντικείμενο. Αυτή η μεταφορά ενέργειας, ανάλογα με τις μεταβλητές που μεταβάλλουν τις καταστάσεις κίνησης, μπορεί να προκαλέσει τραυματισμούς και να βλάψει τα αυτοκίνητα και την ιδιοκτησία. Το αντικείμενο που χτυπήθηκε είτε θα απορροφήσει την ώθηση της ενέργειας πάνω του είτε θα μεταφέρει την ενέργεια αυτή πίσω στο όχημα που το έπληξε. Εστιάζοντας στη διάκριση μεταξύ δύναμη και ενέργεια μπορεί να βοηθήσει στην εξήγηση της εμπλεκόμενης φυσικής.

Τα αυτοκινητιστικά σφάλματα είναι σαφή παραδείγματα για το πώς Νόμοι κίνησης του Νεύτωνα δουλειά. Ο πρώτος νόμος της κίνησης, ο οποίος επίσης αναφέρεται ως νόμος αδράνειας, ισχυρίζεται ότι ένα αντικείμενο σε κίνηση θα παραμείνει σε κίνηση, εκτός αν μια εξωτερική δύναμη ενεργήσει πάνω του. Αντίθετα, εάν ένα αντικείμενο βρίσκεται σε κατάσταση ηρεμίας, θα παραμείνει σε ηρεμία μέχρι να εκδηλωθεί μια ασυμμετρική δύναμη.

Εξετάστε μια κατάσταση στην οποία το αυτοκίνητο Α συγκρούεται με ένα στατικό, άθραυστο τοίχο. Η κατάσταση αρχίζει με το αυτοκίνητο Α που ταξιδεύει με ταχύτητα (v) και, κατά την σύγκρουση με τον τοίχο, καταλήγοντας με ταχύτητα 0. Η δύναμη αυτής της κατάστασης ορίζεται από τον δεύτερο νόμο κίνησης του Νεύτωνα, ο οποίος χρησιμοποιεί την εξίσωση της δύναμης ισούται με τη μαζική επιτάχυνση. Σε αυτή την περίπτωση, η επιτάχυνση είναι (v - 0) / t, όπου t είναι όποια ώρα χρειάζεται το αυτοκίνητο Α για να σταματήσει.

Το αυτοκίνητο ασκεί αυτή τη δύναμη προς την κατεύθυνση του τοίχου, αλλά ο τοίχος, που είναι στατικός και άθραυστος, ασκεί την ίδια δύναμη πίσω στο αυτοκίνητο, σύμφωνα με τον τρίτο νόμο κίνησης του Νεύτωνα. Αυτή η ίση δύναμη είναι αυτό που προκαλεί τα αυτοκίνητα στο ακορντεόν κατά τη διάρκεια συγκρούσεων.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι αυτό είναι ένα εξιδανικευμένο μοντέλο. Στην περίπτωση του αυτοκινήτου Α, εάν χτυπάει στον τοίχο και έρχεται σε άμεση στάση, αυτό θα ήταν α απόλυτα ανελαστική σύγκρουση. Δεδομένου ότι ο τοίχος δεν σπάει ή μετακινείται καθόλου, η πλήρης δύναμη του αυτοκινήτου στον τοίχο πρέπει να πάει κάπου. Είτε ο τοίχος είναι τόσο μεγάλος που επιταχύνει, είτε κινεί ένα ανεπαίσθητο ποσό, είτε δεν κινείται καθόλου, οπότε η η δύναμη της σύγκρουσης ενεργεί στο αυτοκίνητο και σε ολόκληρο τον πλανήτη, ο τελευταίος του οποίου είναι προφανώς τόσο μεγάλος ώστε οι επιπτώσεις να είναι αμελητέος.

Σε μια κατάσταση όπου το αυτοκίνητο Β συγκρούεται με το αυτοκίνητο C, έχουμε διαφορετικές εκτιμήσεις δύναμης. Υποθέτοντας ότι το αυτοκίνητο Β και το αυτοκίνητο C είναι πλήρεις καθρέφτες ο ένας τον άλλον (και πάλι, αυτή είναι μια εξαιρετικά εξιδανικευμένη κατάσταση), θα συγκρούονται μεταξύ τους, πηγαίνοντας ακριβώς στο ίδιο Ταχύτητα αλλά σε αντίθετες κατευθύνσεις. Από τη διατήρηση της ορμής, γνωρίζουμε ότι πρέπει και οι δύο να ξεκουραστούν. Η μάζα είναι η ίδια, επομένως, η δύναμη που βιώνεται από το αυτοκίνητο Β και το αυτοκίνητο C είναι πανομοιότυπη και ταυτόσημη με αυτή που ασκείται στο αυτοκίνητο στην περίπτωση Α στο προηγούμενο παράδειγμα.

Αυτό εξηγεί τη δύναμη της σύγκρουσης, αλλά υπάρχει ένα δεύτερο μέρος της ερώτησης: η ενέργεια κατά τη σύγκρουση.

Η δύναμη είναι α διάνυσμα ποσότητα ενώ κινητική ενέργεια είναι ένα κλιμακωτή ποσότητα, υπολογιζόμενη με τον τύπο Κ = 0,5mv². Στη δεύτερη περίπτωση παραπάνω, κάθε αυτοκίνητο έχει κινητική ενέργεια K ακριβώς πριν από τη σύγκρουση. Στο τέλος της σύγκρουσης, και τα δύο αυτοκίνητα είναι σε ηρεμία, και η συνολική κινητική ενέργεια του συστήματος είναι 0.

Από αυτά είναι ανελαστικές συγκρούσεις, η κινητική ενέργεια δεν διατηρείται, αλλά συνολική ενέργεια είναι πάντα συντηρημένη, έτσι ώστε η κινητική ενέργεια "χαμένη" στη σύγκρουση πρέπει να μετατραπεί σε κάποια άλλη μορφή, όπως η θερμότητα, ο ήχος κλπ.

Στο πρώτο παράδειγμα όπου κινείται μόνο ένα αυτοκίνητο, η ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη σύγκρουση είναι Κ. Στο δεύτερο παράδειγμα, όμως, δύο είναι αυτοκίνητα που κινούνται, οπότε η συνολική ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη σύγκρουση είναι 2Κ. Έτσι, η συντριβή στην περίπτωση Β είναι σαφώς πιο ενεργητική από την περίπτωση της σύγκρουσης.

Εξετάστε τις μεγάλες διαφορές μεταξύ των δύο καταστάσεων. Στο κβαντικό επίπεδο των σωματιδίων, της ενέργειας και της ύλης μπορεί βασικά να ανταλλάσσεται μεταξύ των κρατών. Η φυσική της σύγκρουσης αυτοκινήτων δεν θα εκπέμπει ποτέ, ανεξάρτητα από το πόσο ενεργητικός, να εκπέμπει ένα καινούργιο αυτοκίνητο.

Το αυτοκίνητο θα βιώσει ακριβώς την ίδια δύναμη και στις δύο περιπτώσεις. Η μόνη δύναμη που επενεργεί στο αυτοκίνητο είναι η απότομη επιβράδυνση από v σε 0 ταχύτητα σε σύντομο χρονικό διάστημα, λόγω της σύγκρουσης με άλλο αντικείμενο.

Ωστόσο, κατά την προβολή του συνολικού συστήματος, η σύγκρουση στην κατάσταση με δύο αυτοκίνητα απελευθερώνει διπλάσια ενέργεια από τη σύγκρουση με έναν τοίχο. Είναι πιο δυνατά, πιο ζεστά και πιθανά πιο αστεία. Κατά πάσα πιθανότητα, τα αυτοκίνητα έχουν συγχωνευθεί μεταξύ τους, κομμάτια που πετούν μακριά σε τυχαίες κατευθύνσεις.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι φυσικοί επιταχύνουν τα σωματίδια σε ένα κολλάρο για να μελετήσουν τη φυσική υψηλής ενέργειας. Η πράξη σύγκρουσης δύο δοκών σωματιδίων είναι χρήσιμη γιατί σε συγκρούσεις σωματιδίων δεν ενδιαφέρεστε πραγματικά για τη δύναμη των σωματιδίων (που ποτέ δεν μετράτε πραγματικά). φροντίζετε αντ 'αυτού για την ενέργεια των σωματιδίων.

Ένας επιταχυντής σωματιδίων επιταχύνει τα σωματίδια αλλά το κάνει με έναν πολύ πραγματικό περιορισμό ταχύτητας υπαγορευόμενο από την ταχύτητα του φωτοφράκτη από Η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Για να συμπιέσετε κάποια επιπλέον ενέργεια από τις συγκρούσεις, αντί να συγκρουστεί μια δέσμη σωματιδίων κοντά στο φως ταχύτητας με ένα ακίνητο αντικείμενο, είναι καλύτερα να συγκρουστεί με μια άλλη δέσμη σωματιδίων κοντά στο φως ταχύτητας που πηγαίνουν το αντίθετο κατεύθυνση.

Από τη σκοπιά του σωματιδίου, δεν καταστρέφονται τόσο πολύ, αλλά όταν τα δύο σωματίδια συγκρούονται, απελευθερώνεται περισσότερη ενέργεια. Σε συγκρούσεις σωματιδίων, αυτή η ενέργεια μπορεί να πάρει τη μορφή άλλων σωματιδίων και όσο περισσότερη ενέργεια τραβάτε από τη σύγκρουση, τόσο πιο εξωτικά είναι τα σωματίδια.