Fyzika automobilové kolize

Při autonehodě se energie přenáší z vozidla na cokoli, ať už narazí, ať už na jiné vozidlo nebo na stojící objekt. Tento přenos energie, v závislosti na proměnných, které mění stav pohybu, může způsobit zranění a poškození automobilů a majetku. Objekt, který byl zasažen, pohltí energii, která na něj dopadne, nebo jej případně převede zpět do vozidla, které jej zasáhlo. Zaměření na rozlišení mezi platnost a energie může pomoci vysvětlit zúčastněnou fyziku.

Síla: Kolize se zdí

Autonehody jsou jasným příkladem jak Newtonovy zákony pohybu práce. Jeho první zákon pohybu, také označovaný jako zákon setrvačnosti, tvrdí, že předmět v pohybu zůstane v pohybu, pokud na něj nepůsobí vnější síla. Naopak, pokud je předmět v klidu, zůstane v klidu, dokud na něj nepůsobí nevyvážená síla.

Zvažte situaci, ve které se auto A srazí se statickou nerozbitnou stěnou. Situace začíná tím, že auto A cestuje rychlostí (v) a při kolizi se stěnou končící rychlostí 0. Síla této situace je definována Newtonovým druhým zákonem pohybu, který používá rovnici síly se rovná zrychlení hmotnosti a času. V tomto případě je zrychlení (v - 0) / t, kde t je jakákoli doba, než se vozidlo A zastaví.

Auto vyvíjí tuto sílu ve směru ke zdi, ale zeď, která je statická a nerozbitná, vyvíjí stejnou sílu zpět na auto, podle Newtonova třetího zákona pohybu. Tato stejná síla způsobuje, že se auta při srážkách vyrovnávají.

Je důležité si uvědomit, že se jedná o idealizovaný model. V případě automobilu A, pokud se bouchne do zdi a okamžitě se zastaví, bude to dokonale nepružná kolize. Protože zeď se vůbec nerozbije nebo se nepohybuje, musí někam jít plná síla auta do zdi. Buď je zeď tak masivní, že zrychluje, nebo pohybuje nepostřehnutelným množstvím, nebo se vůbec nepohybuje, v tom případě síla nárazu působí na auto a celou planetu, z nichž druhá je zjevně tak masivní, že účinky jsou zanedbatelný.

Síla: Kolize s autem

V situaci, kdy se auto B srazí s vozem C, máme různé úvahy o síle. Za předpokladu, že auto B a auto C jsou navzájem úplná zrcadla (opět je to velmi idealizovaná situace), srazily by se spolu navzájem a šly by přesně stejným směrem Rychlost ale v opačných směrech. Z zachování hybnosti víme, že se musí oba nechat odpočívat. Hmotnost je stejná, takže síla, kterou působí auto B a auto C, je identická a také stejná jako síla působící na auto v případě A v předchozím příkladu.

To vysvětluje sílu srážky, ale je tu druhá část otázky: energie uvnitř srážky.

Energie

Síla je vektor množství během Kinetická energie je skalární veličina, vypočteno pomocí vzorce K = 0,5 mv2. Ve výše uvedené druhé situaci má každé vozidlo kinetickou energii K bezprostředně před srážkou. Na konci srážky jsou obě auta v klidu a celková kinetická energie systému je 0.

Protože to jsou nepružné srážky, kinetická energie není zachována, ale celková energie je vždy zachována, takže kinetická energie „ztracená“ při srážce se musí převést do jiné formy, jako je teplo, zvuk atd.

V prvním příkladu, kdy se pohybuje pouze jedno auto, je energie uvolněná během srážky K. Ve druhém příkladu se však dvě auta pohybují, takže celková energie uvolněná během srážky je 2K. Takže pád v případě B je zjevně energičtější než případ A.

Od aut po částice

Zvažte hlavní rozdíly mezi těmito dvěma situacemi. Na kvantová úroveň částic, energie a hmoty se v zásadě může mezi stavy měnit. Fyzika automobilové srážky nikdy, bez ohledu na to, jak energická, nevydá úplně nové auto.

V obou případech by vůz zažil přesně stejnou sílu. Jedinou silou, která působí na auto, je náhlé zpomalení z rychlosti v na 0 v krátkém časovém intervalu kvůli kolizi s jiným objektem.

Při pohledu na celkový systém však kolize v situaci se dvěma vozy uvolní dvakrát tolik energie než kolize se stěnou. Je to hlasitější, teplejší a pravděpodobně poselejší. Se vší pravděpodobností se auta navzájem spojila a kousky létaly náhodným směrem.

To je důvod, proč fyzici urychlují částice v srážce, aby studovali vysoce energetickou fyziku. Kolize dvou paprsků částic je užitečná, protože při srážkách částic vám opravdu záleží na síle částic (kterou nikdy neměříte); místo toho vám záleží na energii částic.

Akcelerátor částic urychluje částice, ale činí tak s velmi reálným omezením rychlosti diktovaným rychlostí světelné bariéry Einsteinova teorie relativity. Chcete-li vytlačit další energii mimo srážky, namísto srážky paprsku částic o rychlosti blízkého světla a Stacionární objekt, je lepší ho srazit s jiným paprskem částic blízké rychlosti, které se protínají směr.

Z pohledu částice se tolik „nerozbijí víc“, ale když se tyto dvě částice srazí, uvolní se více energie. Při srážkách částic může tato energie nabývat podoby jiných částic a čím více energie vytáhnete ze srážky, tím exotičtější jsou částice.