Физика автомобильного столкновения

Во время автомобильной аварии энергия передается от транспортного средства к чему бы то ни было, будь то другое транспортное средство или неподвижный объект. Эта передача энергии, в зависимости от переменных, которые изменяют состояние движения, может вызвать травмы и повреждение автомобилей и имущества. Объект, в который был нанесен удар, либо поглотит энергию, направленную на него, либо, возможно, передаст эту энергию обратно транспортному средству, которое его ударило. Сосредоточение внимания на различии между силой и энергией может помочь объяснить задействованную физику.

Сила: столкновение со стеной

Автомобильные аварии являются яркими примерами того, как работают законы движения Ньютона. Его первый закон движения, также называемый законом инерции, утверждает, что движущийся объект будет оставаться в движении, если на него не действует внешняя сила. И наоборот, если объект находится в состоянии покоя, он будет оставаться в покое до тех пор, пока на него не воздействует неуравновешенная сила.

Рассмотрим ситуацию, в которой автомобиль А сталкивается со статической неразрушимой стеной. Ситуация начинается с того, что автомобиль A движется со скоростью (v ) и после столкновения со стеной заканчивается со скоростью 0. Сила этой ситуации определяется вторым законом движения Ньютона. , в котором используется уравнение силы, равной массе, умноженной на ускорение. В этом случае ускорение равно (v – 0)/t, где t – это время, за которое автомобиль A остановится.

Автомобиль оказывает эту силу в направлении стены, но стена, которая является статичной и нерушимой, оказывает равное усилие на машину в соответствии с третьим законом движения Ньютона. Эта равная сила заставляет автомобили подниматься гармошкой во время столкновений.

Важно отметить, что это идеализированная модель. В случае с автомобилем А, если он врезается в стену и сразу же останавливается, это будет совершенно неупругое столкновение. Так как стена не ломается и не двигается, вся сила машины в стену должна куда-то уйти. Либо стена настолько массивна, что ускоряется, либо движется незаметно, либо вообще не движется, и в этом случае сила столкновения действует на машину и всю планету, последняя из которых, очевидно, настолько массивны, что эффекты незначительны.

Сила: столкновение с автомобилем

В ситуации, когда автомобиль B сталкивается с автомобилем C, у нас другие соображения относительно силы. Если предположить, что автомобиль B и автомобиль C являются полными зеркалами друг друга (опять же, это в высшей степени идеализированная ситуация), они столкнутся друг с другом, двигаясь с одинаковой скоростью, но в противоположных направлениях. Из сохранения импульса мы знаем, что они оба должны остановиться. Масса одинакова, следовательно, сила, испытываемая автомобилем B и автомобилем C, идентична, а также идентична силе, действующей на автомобиль в случае A в предыдущем примере.

Это объясняет силу столкновения, но есть вторая часть вопроса: энергия в столкновении.

Энергия

Сила – это векторная величина, а кинетическая энергия – это скалярная величина, вычисляемая по формуле K = 0,5 мВ 2 . Во второй ситуации, описанной выше, каждый автомобиль имеет кинетическую энергию K непосредственно перед столкновением. В конце столкновения обе машины находятся в состоянии покоя, а общая кинетическая энергия системы равна 0.

Поскольку это неупругие столкновения, кинетическая энергия энергия не сохраняется, но полная энергия всегда сохраняется, поэтому кинетическая энергия, «потерянная» при столкновении, должна преобразовываться в какую-то другую форму, такую ​​как тепло, звук и т. д.

В первом примере, где движется только одна машина, энергия, выделяемая во время столкновения, равна K. Однако во втором примере две машины движутся, поэтому общая энергия, выделяемая во время столкновения, составляет 2K. Таким образом, авария в случае B явно более энергична, чем в случае аварии A.

От автомобилей к частицам

Рассмотрим основные различия между двумя ситуациями. На квантовом уровне частиц энергия и материя могут переключаться между состояниями. Физика столкновения автомобиля никогда не приведет к появлению совершенно нового автомобиля, каким бы энергичным он ни был.

Автомобиль будет испытывать одинаковую силу в обоих случаях. Единственная сила, которая действует на машину, – это внезапное замедление от скорости v до 0 за короткий промежуток времени из-за столкновения с другим объектом.

Однако при просмотре всей системы столкновение в ситуации с двумя автомобилями выделяет вдвое больше энергии, чем столкновение со стеной. Он громче, горячее и, вероятно, более грязный. Скорее всего, машины слились друг с другом, части разлетелись в случайных направлениях.

Вот почему физики ускоряют частицы в коллайдере, чтобы изучать высокие энергетическая физика. Акт столкновения двух пучков частиц полезен, потому что при столкновении частиц вы на самом деле не заботитесь о силе частиц (которую вы никогда не измеряете); вместо этого вы заботитесь об энергии частиц.

Ускоритель частиц ускоряет частицы, но делает это с очень реальным ограничением скорости, продиктованным скоростью светового барьера из теории относительности Эйнштейна. Чтобы выжать дополнительную энергию из столкновений, вместо того, чтобы сталкивать пучок частиц, близких к скорости света, с неподвижным объектом, лучше столкнуть его с другим пучком частиц, близких к скорости света, идущим в противоположном направлении.

С точки зрения частиц, они не так сильно «разбиваются», но когда две частицы сталкиваются, выделяется больше энергии. При столкновении частиц эта энергия может принимать форму других частиц, и чем больше энергии вы извлекаете из столкновения, тем более экзотическими являются частицы..

Оцените статью
recture.ru
Добавить комментарий