Fyzika kolízie áut

Na havárii sa podieľa energia a sila

Lee Haywood/Flickr/CC BY-SA 2.0

Počas autonehody sa energia prenáša z vozidla na čokoľvek, do čoho narazí, či už je to iné vozidlo alebo stacionárny objekt. Tento prenos energie v závislosti od premenných, ktoré menia stavy pohybu, môže spôsobiť zranenia a škody na autách a majetku. Predmet, ktorý bol zasiahnutý, buď absorbuje energiu, ktorá naň bola nanesená, alebo možno túto energiu prenesie späť do vozidla, ktoré ho zasiahlo. Zameranie na rozdiel medzi sila a energie môže pomôcť vysvetliť príslušnú fyziku.

Sila: Zrážka so stenou

Nárazy áut sú toho jasným príkladom Newtonove pohybové zákony práca. Jeho prvý zákon pohybu, označovaný aj ako zákon zotrvačnosti, tvrdí, že objekt v pohybe zostane v pohybe, pokiaľ naň nepôsobí vonkajšia sila. Naopak, ak je objekt v pokoji, zostane v pokoji, kým naň nepôsobí nevyvážená sila.

Uvažujme o situácii, v ktorej auto A narazí na statickú, nerozbitnú stenu. Situácia sa začína tým, že auto A ide rýchlosťou (v ) a po zrážke so stenou končí rýchlosťou 0. Sila tejto situácie je definovaná druhým Newtonovým pohybovým zákonom, ktorý používa rovnicu sily rovnajúcej sa hmotnosti krát zrýchlenie. V tomto prípade je zrýchlenie (v - 0)/t, kde t je čas, za ktorý vozidlo A zastaví.

Auto pôsobí touto silou v smere steny, ale stena, ktorá je statická a nerozbitná, pôsobí rovnakou silou späť na auto, podľa tretieho Newtonovho zákona pohybu. Táto rovnaká sila je to, čo spôsobuje, že autá sa pri kolíziách rozbehnú.

Je dôležité poznamenať, že ide o idealizovaný model . V prípade auta A, ak narazí do steny a okamžite zastaví, bude to a dokonale nepružná kolízia . Keďže stena sa vôbec nerozbije ani nepohne, plná sila auta do steny musí niekam ísť. Buď je stena taká masívna, že zrýchľuje, alebo sa hýbe nebadateľne, alebo sa nehýbe vôbec, v takom prípade sila zrážky pôsobí na auto a celú planétu, pričom tá druhá je, samozrejme, tak masívne, že účinky sú zanedbateľné.

Sila: Zrážka s autom

V situácii, keď sa auto B zrazí s autom C, máme iné silové úvahy. Za predpokladu, že auto B a auto C sú navzájom úplnými zrkadlami (opäť ide o veľmi idealizovanú situáciu), narazili by do seba presne rovnako. rýchlosť ale v opačných smeroch. Zo zachovania hybnosti vieme, že sa musia obaja zastaviť. Hmotnosť je rovnaká, preto sila, ktorou pôsobí auto B a auto C, je totožná a tiež totožná so silou pôsobiacou na auto v prípade A v predchádzajúcom príklade.

To vysvetľuje silu zrážky, ale je tu aj druhá časť otázky: energia v rámci zrážky.

Energia

Sila je a vektor množstvo kým Kinetická energia je a skalárne množstvo , vypočítané podľa vzorca K = 0,5mv^dva. V druhej situácii vyššie má každé auto kinetickú energiu K priamo pred zrážkou. Na konci zrážky sú obe autá v pokoji a celková kinetická energia systému je 0.

Keďže tieto sú nepružné kolízie kinetická energia sa nezachová, ale celková energia sa vždy zachováva, takže kinetická energia „stratená“ pri zrážke sa musí premeniť na inú formu, ako je teplo, zvuk atď.

V prvom príklade, kde sa pohybuje iba jedno auto, je energia uvoľnená pri zrážke K. V druhom príklade sa však pohybujú dve autá, takže celková energia uvoľnená pri zrážke je 2K. Zrážka v prípade B je teda jednoznačne energickejšia ako zrážka v prípade A.

Od áut k časticiam

Zvážte hlavné rozdiely medzi týmito dvoma situáciami. Na kvantovej úrovni častíc, energie a hmoty sa v podstate môžu medzi stavmi vymieňať. Fyzika kolízie auta nikdy, akokoľvek energicky, nevypustí úplne nové auto.

Auto by v oboch prípadoch zažilo presne rovnakú silu. Jediná sila, ktorá pôsobí na auto, je náhle spomalenie z rýchlosti v na 0 v krátkom časovom období v dôsledku kolízie s iným objektom.

Pri pohľade na celkový systém však zrážka v situácii dvoch áut uvoľní dvakrát toľko energie ako zrážka so stenou. Je to hlasnejšie, horúcejšie a pravdepodobne aj chaotické. S najväčšou pravdepodobnosťou sa autá zlúčili do seba a kusy odleteli v náhodných smeroch.

To je dôvod, prečo fyzici urýchľujú častice v zrážači, aby mohli študovať fyziku vysokých energií. Akt zrážky dvoch lúčov častíc je užitočný, pretože pri zrážkach častíc sa skutočne nestaráte o silu častíc (ktorú v skutočnosti nikdy nezmeriate); namiesto toho vám záleží na energii častíc.

Urýchľovač častíc zrýchľuje častice, ale robí to s veľmi reálnym obmedzením rýchlosti diktovaným rýchlosťou svetelnej bariéry z Einsteinova teória relativity . Ak chcete zo zrážok vytlačiť nejakú energiu navyše, namiesto zrážky lúča častíc s rýchlosťou blízkou svetla so stacionárnym objektom je lepšie ho zraziť s ďalším lúčom častíc s rýchlosťou blízkou svetla, ktorý ide opačným smerom.

Z hľadiska častice sa až tak „nerozbijú viac“, ale keď sa tieto dve častice zrazia, uvoľní sa viac energie. Pri zrážkach častíc môže mať táto energia podobu iných častíc a čím viac energie zo zrážky vytiahnete, tým exotickejšie častice sú.