Fizica unei coliziuni auto

În timpul unui accident de mașină, energia este transferată din vehicul către orice ar lovi, fie că este un alt vehicul sau un obiect staționar. Acest transfer de energie, în funcție de variabilele care modifică stările de mișcare, poate provoca răni și deteriora mașinile și proprietățile. Obiectul care a fost lovit va absorbi impulsul de energie asupra acestuia sau va transfera energia înapoi în vehiculul care a lovit-o. Concentrarea pe distincția dintre forță și energie poate ajuta la explicarea fizicii implicate.

Forța: ciocnirea cu un perete

Accidentele de mașini sunt exemple clare despre modul în care funcționează Legile mișcării Newton. Prima sa lege de mișcare, denumită și legea inerției, afirmă că un obiect în mișcare va rămâne în mișcare, cu excepția cazului în care o forță externă nu acționează asupra sa. În schimb, dacă un obiect este în repaus, acesta va rămâne în repaus până când o forță dezechilibrată acționează asupra lui. 

Luați în considerare o situație în care mașina A se ciocnește cu un perete static, de rupere. Situația începe cu mașina A care călătorește cu viteză (v) și, la ciocnirea cu peretele, se termină cu o viteză de 0. Forța acestei situații este definită de a doua lege a mișcării de Newton, care folosește ecuația de forță este egală cu accelerația de masă. În acest caz, accelerația este (v - 0) / t, unde t este orice timp este nevoie de mașina A pentru a opri.

Mașina exercită această forță în direcția peretelui, dar peretele, care este static și de rupt, exercită o forță egală înapoi asupra mașinii, conform celei de-a treia legi de mișcare a lui Newton. Această forță egală este cea care determină autovehiculele să se acorde în timpul coliziunilor.

Este important de menționat că acesta este un model idealizat. În cazul autoturismului A, dacă trântește în perete și se oprește imediat, aceasta ar fi o coliziune perfect inelastică. Deoarece peretele nu se sparge și nu se mișcă deloc, forța completă a mașinii în perete trebuie să meargă undeva. Fie peretele este atât de masiv încât accelerează, sau mișcă o cantitate imperceptibilă, sau nu se mișcă deloc, caz în care forța ciocnirii acționează asupra mașinii și a întregii planete, cea din urmă fiind, evident, atât de masiv încât efectele sunt neglijabile.

Forța: ciocnirea cu o mașină

Într-o situație în care mașina B se ciocnește cu mașina C, avem diferite considerente de forță. Presupunând că mașina B și mașina C sunt oglinzi complete între ele (din nou, aceasta este o situație extrem de idealizată), acestea s-ar ciocni între ele mergând cu aceeași viteză, dar în direcții opuse. Din conservarea impulsului, știm că ei trebuie să se odihnească amândoi. Masa este aceeași, prin urmare, forța experimentată de mașina B și mașina C este identică și, de asemenea, identică cu cea care acționează asupra mașinii în cazul A din exemplul precedent.

Aceasta explică forța coliziunii, dar există oa doua parte a întrebării: energia din cadrul coliziunii.

Energie

Forța este o cantitate vectorială, în timp ce energia cinetică este o cantitate scalară, calculată cu formula K = 0,5mv². În a doua situație de mai sus, fiecare mașină are energie cinetică K direct înainte de coliziune. La sfârșitul coliziunii, ambele mașini sunt în repaus, iar energia cinetică totală a sistemului este 0.

Deoarece acestea sunt coliziuni inelastice, energia cinetică nu este conservată, dar energia totală este întotdeauna conservată, astfel încât energia cinetică „pierdută” în coliziune trebuie să se transforme într-o altă formă, cum ar fi căldura, sunetul etc..

În primul exemplu în care se deplasează o singură mașină, energia eliberată în timpul coliziunii este K. În al doilea exemplu, totuși, două sunt mașini care se mișcă, deci energia totală eliberată în timpul coliziunii este de 2K. Deci, accidentul în cazul B este în mod clar mai energic decât accidentul din cazul A.

De la Mașini la particule

Luați în considerare diferențele majore dintre cele două situații. La nivel cuantic de particule, energia și materia se pot schimba practic între stări. Fizica unei coliziuni auto nu va emite niciodată, oricât de energic, o mașină complet nouă.

Mașina ar experimenta exact aceeași forță în ambele cazuri. Singura forță care acționează asupra mașinii este decelerarea bruscă de la v la 0 viteză într-o perioadă scurtă de timp, din cauza coliziunii cu un alt obiect.

Cu toate acestea, la vizualizarea sistemului total, coliziunea în situația cu două mașini degajă de două ori mai multă energie decât coliziunea cu un perete. Este mai tare, mai cald și probabil mai dezordonat. După toate probabilitățile, mașinile s-au topit între ele, bucăți zburând în direcții aleatorii.

Acesta este motivul pentru care fizicienii accelerează particulele dintr-un colector pentru a studia fizica cu energie mare. Actul de a ciocni două fascicule de particule este util, deoarece în coliziunile de particule nu vă pasă cu adevărat forța particulelor (pe care nu le măsurați niciodată); în schimb vă pasă de energia particulelor.

Un accelerator de particule accelerează particulele, dar o face cu o limitare a vitezei foarte reală dictată de viteza barierei luminii din teoria relativității a lui Einstein. Pentru a stoarce o cantitate suplimentară de energie din coliziuni, în loc să ciocnească un fascicul de particule cu viteză aproape de lumină cu un obiect staționar, este mai bine să-l ciocnești cu un alt fascicul de particule cu viteză aproape de lumină care merge în direcția opusă.

Din punctul de vedere al particulelor, acestea nu „mai spulberă mai mult”, dar când cele două particule se ciocnesc, se eliberează mai multă energie. În coliziunile de particule, această energie poate lua forma altor particule, și cu cât mai multă energie scoți din coliziune, cu atât particulele sunt mai exotice.