Fyzika kolízie automobilov

Počas autonehody sa energia prenáša z vozidla na to, na čo narazil, či už ide o iné vozidlo alebo stacionárny objekt. Tento prenos energie môže v závislosti od premenných, ktoré menia stav pohybu, spôsobiť zranenia a poškodiť autá a majetok. Objekt, ktorý bol zasiahnutý, pohltí energiu, ktorá naň dopadne, alebo ju môže preniesť späť do vozidla, ktoré ho zasiahlo. Zameranie na rozlíšenie medzi sila a energie môže pomôcť vysvetliť zapojenú fyziku.

Autonehody sú jasným príkladom toho, ako Newtonove zákony pohybu práca. Jeho prvý zákon o pohybe, tiež označovaný ako zákon zotrvačnosti, tvrdí, že pohybujúci sa predmet zostane v pohybe, pokiaľ naň nepôsobí vonkajšia sila. Naopak, ak je objekt v pokoji, zostane v pokoji, kým naň nebude pôsobiť nevyvážená sila.

Zvážte situáciu, v ktorej sa auto A zrazí so statickou nerozbitnou stenou. Situácia začína tým, že auto A cestuje rýchlosťou (v) a pri zrážke so stenou končia rýchlosťou 0. Sila tejto situácie je definovaná Newtonovým druhým zákonom pohybu, ktorý používa rovnicu sily sa rovná hmotnostnému násobku zrýchlenia. V tomto prípade je zrýchlenie (v - 0) / t, kde t je čas, keď zastavenie vozidla A trvá.

Auto vyvinie túto silu v smere na stenu, ale stena, ktorá je statická a nerozbitná, vynakladá rovnakú silu späť na vozidlo podľa tretieho Newtonovho zákona o pohybe. Táto rovnaká sila spôsobuje, že sa automobily počas zrážok vyrovnávajú.

Je dôležité si uvedomiť, že toto je idealizovaný model. Ak ide o auto A, ktoré zabuchne do steny a okamžite zastaví, bude to znamenať dokonale nepružná kolízia. Pretože stena sa vôbec nerozbije alebo nepohybuje, musí niekde stáť plná sila vozidla do steny. Stena je taká masívna, že zrýchľuje, alebo pohybuje nepostrehnuteľným množstvom, alebo sa vôbec nepohybuje, v takom prípade sila kolízie pôsobí na auto a celú planétu, ktorá je očividne taká masívna, že účinky sú zanedbateľné.

V situácii, keď sa vozidlo B zrazí s autom C, máme rôzne úvahy o sile. Za predpokladu, že auto B a auto C sú navzájom úplnými zrkadlami (opäť ide o vysoko idealizovanú situáciu), zrazia sa navzájom, keď idú presne rovnako. rýchlosť ale v opačných smeroch. Zo zachovania dynamiky vieme, že sa musia obaja oddýchnuť. Hmotnosť je rovnaká, takže sila, ktorú pociťujú auto B a auto C, je rovnaká a tiež rovnaká ako sila pôsobiaca na auto v prípade A v predchádzajúcom príklade.

Toto vysvetľuje silu zrážky, ale je tu druhá časť otázky: energia v zrážke.

Sila je vektor množstvo počas Kinetická energia je a skalárne množstvovypočítané pomocou vzorca K = 0,5 mv². V druhej vyššie uvedenej situácii má každé vozidlo kinetickú energiu K bezprostredne pred zrážkou. Na konci kolízie sú obe autá v pokoji a celková kinetická energia systému je 0.

Pretože to tak je nepružné zrážky, kinetická energia nie je zachovaná, ale celková energia je vždy zachovaná, takže kinetická energia „stratená“ pri zrážke sa musí premeniť na inú formu, ako je teplo, zvuk atď.

V prvom príklade, keď sa pohybuje iba jedno auto, je energia uvoľnená počas zrážky K. V druhom príklade sú však dve autá v pohybe, takže celková energia uvoľnená počas zrážky je 2K. Zrážka v prípade B je teda jednoznačne energickejšia ako v prípade zrážky A.

Zvážte hlavné rozdiely medzi týmito dvoma situáciami. Na kvantová úroveň častíc, energie a hmoty sa môžu medzi stavmi v podstate vymieňať. Fyzika kolízie automobilu nikdy, bez ohľadu na to, ako energická, nikdy nevydá úplne nové auto.

V oboch prípadoch by vozidlo zažilo presne rovnakú silu. Jedinou silou, ktorá pôsobí na vozidlo, je náhle spomalenie z rýchlosti v na 0 v krátkom časovom úseku v dôsledku kolízie s iným objektom.

Pri pohľade na celý systém však kolízia v situácii s dvoma automobilmi uvoľní dvakrát toľko energie ako zrážka so stenou. Je to hlasnejšie, teplejšie a pravdepodobne poslušnejšie. Pravdepodobne sa autá navzájom spojili a kúsky lietali náhodne.

Preto fyzici urýchľujú častice v zrážači, aby študovali fyziku vysokej energie. Akt kolízie dvoch lúčov častíc je užitočný, pretože pri zrážkach častíc vám naozaj nezáleží na sile častíc (ktorú nikdy skutočne nemeriate); namiesto toho vám záleží na energii častíc.

Urýchľovač častíc urýchľuje častice, ale robí tak s veľmi reálnym obmedzením rýchlosti určeným rýchlosťou svetelnej bariéry Einsteinova teória relativity. Aby sa z kolízií vytlačila nejaká extra energia, namiesto zrážky lúča častíc s rýchlosťou blízkeho svetla a Stacionárny objekt, je lepšie ho zrážať s ďalším lúčom častíc blízkej rýchlosti, ktoré idú opačne smer.

Z hľadiska častice sa toľko nerozbije viac, ale keď sa obe častice zrazia, uvoľní sa viac energie. Pri zrážkach častíc môže mať táto energia podobu ďalších častíc a čím viac energie vytiahnete z kolízie, tým sú častice exotickejšie.