Automobilio susidūrimo fizika

Avarijoje dalyvauja energija ir jėga

Lee Haywood / Flickr / CC BY-SA 2.0

Automobilio avarijos metu energija perduodama iš transporto priemonės į tai, kas atsitrenkia, nesvarbu, ar tai būtų kita transporto priemonė, ar nejudantis objektas. Šis energijos perdavimas, priklausomai nuo kintamųjų, keičiančių judėjimo būsenas, gali sukelti sužalojimus ir sugadinti automobilius bei turtą. Objektas, į kurį atsitrenkė, arba sugers į jį nukreiptą energiją, arba galbūt perduos tą energiją atgal į jį atsitrenkusiai transporto priemonei. Dėmesys skirtumui tarp jėga ir energijos gali padėti paaiškinti susijusią fiziką.

Jėga: susidūrimas su siena

Automobilių avarijos yra aiškūs to pavyzdžiai Niutono judėjimo dėsniai dirbti. Pirmasis jo judėjimo dėsnis, dar vadinamas inercijos dėsniu, teigia, kad judantis objektas judės, nebent jį veiktų išorinė jėga. Ir atvirkščiai, jei objektas yra ramybės būsenoje, jis liks ramybėje, kol jį paveiks nesubalansuota jėga.

Apsvarstykite situaciją, kai automobilis A atsitrenkia į statinę, nedūžtančią sieną. Situacija prasideda automobiliui A važiuojant greičiu (v ) ir, atsitrenkus į sieną, baigiasi greičiu 0. Šios situacijos jėgą apibrėžia antrasis Niutono judėjimo dėsnis, kuris naudoja jėgos lygybę pagreičio masės ir pagreičio lygtį. Šiuo atveju pagreitis yra (v - 0)/t, kur t yra laikas, per kurį automobilis A sustoja.

Automobilis šią jėgą veikia sienos kryptimi, tačiau siena, kuri yra statinė ir nedūžtanti, pagal trečiąjį Niutono judėjimo dėsnį veikia tokią pat jėgą atgal į automobilį. Dėl šios vienodos jėgos susidūrimo metu automobiliai akordeonuoja.

Svarbu pažymėti, kad tai yra idealizuotas modelis . Jei automobilis A atsitrenktų į sieną ir tuoj pat sustotų, tai būtų a visiškai neelastingas susidūrimas . Kadangi siena visiškai nelūžta ir nejuda, visa automobilio jėga į sieną turi kažkur eiti. Arba siena tokia masyvi, kad įsibėgėja, arba juda nepastebimai, arba visai nejuda, tokiu atveju susidūrimo jėga veikia automobilį ir visą planetą, pastaroji, be abejo, yra toks didžiulis, kad poveikis yra nereikšmingas.

Jėga: susidūrimas su automobiliu

Situacijoje, kai automobilis B susiduria su automobiliu C, turime skirtingus jėgos aspektus. Darant prielaidą, kad automobilis B ir automobilis C yra visiškai vienas kito veidrodžiai (vėlgi, tai labai idealizuota situacija), jie susidurtų vienas su kitu eidami lygiai taip pat. greitis bet priešingomis kryptimis. Išsaugodami pagreitį, žinome, kad jie abu turi pailsėti. Masė yra vienoda, todėl jėga, kurią patiria automobilis B ir automobilis C, yra identiška, taip pat identiška tai, kuri veikia automobilį A atveju ankstesniame pavyzdyje.

Tai paaiškina susidūrimo jėgą, tačiau yra ir antra klausimo dalis: energija susidūrimo viduje.

Energija

Jėga yra a vektorius kiekis tuo metu kinetinė energija yra skaliarinis dydis , skaičiuojant pagal formulę K = 0,5mv^du. Antroje aukščiau pateiktoje situacijoje kiekvienas automobilis turi kinetinę energiją K prieš pat susidūrimą. Susidūrimo pabaigoje abu automobiliai yra ramybės būsenoje, o bendra sistemos kinetinė energija lygi 0.

Kadangi tai yra neelastiniai susidūrimai , kinetinė energija neišsaugoma, bet visos energijos visada išsaugomas, todėl susidūrimo metu „prarasta“ kinetinė energija turi virsti kokia nors kita forma, pavyzdžiui, šiluma, garsu ir pan.

Pirmajame pavyzdyje, kai juda tik vienas automobilis, susidūrimo metu išsiskirianti energija yra K. Tačiau antrajame pavyzdyje du automobiliai juda, todėl bendra susidūrimo metu išsiskirianti energija yra 2K. Taigi avarija B atveju yra akivaizdžiai energingesnė nei A atvejo avarija.

Nuo automobilių iki dalelių

Apsvarstykite pagrindinius šių dviejų situacijų skirtumus. Prie kvantinis lygis dalelių energija ir medžiaga iš esmės gali keistis būsenomis. Automobilio susidūrimo fizika niekada, kad ir kokia energinga būtų, neišskirs visiškai naujo automobilio.

Abiem atvejais automobilis patirs lygiai tokią pačią jėgą. Vienintelė jėga, kuri veikia automobilį, yra staigus greičio sulėtėjimas nuo v iki 0 per trumpą laiką dėl susidūrimo su kitu objektu.

Tačiau žvelgiant į bendrą sistemą, susidūrimas situacijoje su dviem automobiliais išskiria dvigubai daugiau energijos nei susidūrimas su siena. Jis garsesnis, karštesnis ir tikriausiai netvarkingesnis. Labai tikėtina, kad automobiliai susiliejo vienas į kitą, gabalai nuskriejo atsitiktinėmis kryptimis.

Štai kodėl fizikai pagreitina daleles greitintuve, norėdami ištirti didelės energijos fiziką. Dviejų dalelių pluoštų susidūrimo veiksmas yra naudingas, nes dalelių susidūrimo metu jums nelabai rūpi dalelių jėga (kurios niekada iš tikrųjų neišmatuojate); vietoj to jums rūpi dalelių energija.

Dalelių greitintuvas pagreitina daleles, bet tai daro labai realiai ribodamas greitį, kurį lemia šviesos barjero greitis nuo Einšteino reliatyvumo teorija . Norėdami išspausti papildomos energijos iš susidūrimų, užuot susidūrę su beveik šviesos greičio dalelių pluoštu su nejudančiu objektu, geriau jį susidurti su kitu beveik šviesos greičio dalelių pluoštu, einančiu priešinga kryptimi.

Dalelių požiūriu, jos ne tiek „dūžta“, bet kai dvi dalelės susiduria, išsiskiria daugiau energijos. Dalelių susidūrimo metu ši energija gali įgauti kitų dalelių pavidalą, ir kuo daugiau energijos iš susidūrimo ištrauksite, tuo dalelės egzotiškesnės.