Fizika sudara u automobilu

Tijekom automobilske nesreće, energija se prenosi s vozila na sve što pogodi, bilo da je to drugo vozilo ili nepomični objekt. Taj prijenos energije, ovisno o varijablama koje mijenjaju stanje kretanja, može uzrokovati ozljede i oštetiti automobile i imovinu. Predmet koji je pogođen ili će apsorbirati energetski potisak na njemu ili će ga eventualno prenijeti natrag u vozilo koje ga je pogodilo. Usredotočenost na razliku između sila i energija može pomoći objasniti uključenu fiziku.

Sudari automobila jasni su primjeri kako Newtonovi zakoni pokreta raditi. Njegov prvi zakon kretanja, koji se naziva i inercijskim zakonom, predviđa da će neki objekt u pokretu ostati u pokretu, ako vanjska sila ne djeluje na njega. Suprotno tome, ako je objekt u mirovanju, ostat će u mirovanju dok na njega ne djeluje neuravnotežena sila.

Razmislite o situaciji u kojoj se automobil A sudari sa statičkim, neprobojnim zidom. Situacija započinje automobilom Putovanje brzinom (v) i nakon sudara sa zidom koji završava brzinom od 0. Sila ove situacije definirana je Newtonovim drugim zakonom kretanja, koji koristi jednadžbu sile jednaku masi puta ubrzanju. U ovom slučaju, ubrzanje je (v - 0) / t, pri čemu je t koliko god treba vremena da automobil A zaustavi.

Automobil vrši ovu silu u smjeru zida, ali zid, koji je statičan i nelomljiv, vrši jednaku silu natrag prema automobilu, prema Newtonovom trećem zakonu kretanja. Ova jednaka sila je ono što tjera automobile na harmoniku tijekom sudara.

Važno je napomenuti da se radi o an idealizirani model. Ako se automobil A zakuca u zid i odmah se zaustavi, to bi bio slučaj savršeno neelastičan sudar. Kako se zid uopće ne razbija ili pomiče, puna sila automobila u zid mora negdje krenuti. Ili je zid toliko masivan da ubrzava, ili se kreće neprimetnom količinom, ili se uopće ne kreće, u kojem slučaju je sila sudara djeluje na automobil i cijeli planet, od kojih je ovaj posljednji očito toliko masivan da su učinci neznatan.

U situaciji kada se automobil B sudara s automobilom C, imamo različite sile razmatranja. Pod pretpostavkom da su automobil B i automobil C međusobno potpuno zrcalo (opet, ovo je vrlo idealizirana situacija), oni bi se sudarali jedno u drugo u točno istom ubrzati ali u suprotnim smjerovima. Iz očuvanja zamaha znamo da se oboje moraju odmoriti. Masa je ista, dakle, sila koju doživljavaju automobil B i automobil C identična je, a isto tako i jednaka onoj koja djeluje na automobil u slučaju A u prethodnom primjeru.

To objašnjava silu sudara, ali postoji drugi dio pitanja: energija unutar sudara.

Sila je a vektor količina dok kinetička energija je skalarna količina, izračunato formulom K = 0,5mv². U drugoj gornjoj situaciji, svaki automobil ima kinetičku energiju K neposredno prije sudara. Na kraju sudara oba automobila su u mirovanju, a ukupna kinetička energija sustava je 0.

Budući da su to neelastične sudare, kinetička energija nije sačuvana, ali ukupna energija uvijek se čuva, tako da se kinetička energija „izgubljena“ u sudaru mora pretvoriti u neki drugi oblik, poput topline, zvuka itd.

U prvom primjeru gdje se kreće samo jedan automobil, energija oslobođena tijekom sudara je K. U drugom primjeru, međutim, dva se automobila kreću, tako da je ukupna energija oslobođena tijekom sudara 2K. Dakle, sudar u slučaju B je očito energičniji od slučaja A sudar.

Razmotrite glavne razlike između dvije situacije. Na kvantna razina čestice, energija i materija mogu se u osnovi izmjenjivati ​​između stanja. Fizika sudara automobila nikada neće, ma koliko bila energična, emitirati potpuno novi automobil.

Automobil bi u oba slučaja doživio potpuno istu silu. Jedina sila koja djeluje na automobil je naglo usporavanje brzine v do 0 u kratkom vremenskom razdoblju, zbog sudara s drugim predmetom.

No, pri gledanju ukupnog sustava, sudar u situaciji s dva automobila oslobađa dvostruko više energije od sudara sa zidom. Glasnije je, toplije i vjerovatno mesije. Po svoj prilici automobili su se stopili jedan s drugim, komadi su poletjeli u nasumičnim smjerovima.

Zbog toga fizičari ubrzavaju čestice u sudaraču za proučavanje visokoenergetske fizike. Čin sudaranja dva snopa čestica koristan je jer se u sudarima čestica zapravo ne brine sila čestica (koju zapravo nikada ne mjerite); umjesto vas je stalo do energije čestica.

Akcelerator čestica ubrzava čestice, ali to čini s vrlo stvarnim ograničenjem brzine diktiranim brzinom barijere svjetlosti iz Einsteinova teorija relativnosti. Da se iz sudara istisne neka dodatna energija, umjesto da se sudar snopa čestica brzine gotovo sa brzinom svjetlosti nepomični objekt, bolje ga je sudarati s drugom snopom čestica brzine gotovo svjetlosti koja ide suprotno smjer.

Sa stanovišta čestice, oni se toliko više "ne raspadaju", ali kad se dvije čestice sudaraju, oslobađa se više energije. U sudarima čestica ta energija može poprimiti oblik drugih čestica, a što više energije izvučete iz sudara, to su češće egzotičnije.