Automašīnas sadursmes fizika

Avārijā iesaistīta enerģija un spēks

Lī Heivuds/Flickr/CC BY-SA 2.0

Automašīnas avārijas laikā enerģija tiek pārnesta no transportlīdzekļa uz visu, ko tas ietriecas, neatkarīgi no tā, vai tas ir cits transportlīdzeklis vai nekustīgs objekts. Šī enerģijas pārnešana atkarībā no mainīgajiem lielumiem, kas maina kustības stāvokli, var izraisīt ievainojumus un sabojāt automašīnas un īpašumu. Objekts, kas tika sasists, vai nu absorbēs uz to vērsto enerģiju, vai, iespējams, nodos šo enerģiju atpakaļ transportlīdzeklim, kas tam notrieca. Koncentrējoties uz atšķirību starp spēku un enerģiju var palīdzēt izskaidrot iesaistīto fiziku.

Spēks: sadursme ar sienu

Automašīnu avārijas ir skaidri piemēri tam, kā Ņūtona kustības likumi strādāt. Viņa pirmais kustības likums, saukts arī par inerces likumu, apgalvo, ka kustībā esošs objekts paliks kustībā, ja vien uz to neiedarbosies ārējs spēks. Un otrādi, ja objekts atrodas miera stāvoklī, tas paliks miera stāvoklī, līdz uz to iedarbojas nelīdzsvarots spēks.

Apsveriet situāciju, kad automašīna A saduras ar statisku, neplīstošu sienu. Situācija sākas ar automašīnu A, kas brauc ar ātrumu (v ) un, saduroties ar sienu, beidzas ar ātrumu 0. Šīs situācijas spēku nosaka Ņūtona otrais kustības likums, kas izmanto vienādojumu spēks vienāds ar masu reizināts ar paātrinājumu. Šajā gadījumā paātrinājums ir (v - 0)/t, kur t ir laiks, kas nepieciešams, lai automašīna A apstātos.

Automašīna iedarbojas uz šo spēku sienas virzienā, bet siena, kas ir statiska un nesalaužama, saskaņā ar trešo Ņūtona kustības likumu iedarbojas uz automašīnu ar tādu pašu spēku. Šis vienāds spēks ir tas, kas liek automašīnām sadursmes laikā akordeonēt.

Ir svarīgi atzīmēt, ka tas ir idealizēts modelis . Automašīnas A gadījumā, ja tā ietriecas sienā un nekavējoties apstājas, tas būtu a ideāli neelastīga sadursme . Tā kā siena nemaz nelūzt un nekustas, tad visam mašīnas spēkam sienā ir kaut kur jāiet. Vai nu siena ir tik masīva, ka tā paātrinās, vai kustas nemanāmi, vai arī nekustas vispār, tādā gadījumā sadursmes spēks iedarbojas uz automobili un visu planētu, no kurām pēdējā, protams, ir tik masīvas, ka sekas ir niecīgas.

Spēks: sadursme ar automašīnu

Situācijā, kad automašīna B saduras ar automašīnu C, mums ir dažādi spēka apsvērumi. Pieņemot, ka automašīna B un automašīna C ir pilnīgi viens otra spoguļi (atkal šī ir ļoti idealizēta situācija), tie saduras viens ar otru, braucot tieši vienā un tajā pašā virzienā. ātrumu bet pretējos virzienos. No impulsa saglabāšanas mēs zinām, ka viņiem abiem ir jāatpūšas. Masa ir vienāda, tāpēc spēks, ko izjūt automašīna B un automašīna C, ir identisks, kā arī identisks tam, kas iedarbojas uz automašīnu A gadījumā iepriekšējā piemērā.

Tas izskaidro sadursmes spēku, taču ir jautājuma otra daļa: enerģija sadursmē.

Enerģija

Spēks ir a vektors daudzums, kamēr kinētiskā enerģija ir skalārais daudzums , aprēķina pēc formulas K = 0,5mv^divi. Iepriekš minētajā otrajā situācijā katrai automašīnai ir kinētiskā enerģija K tieši pirms sadursmes. Sadursmes beigās abas automašīnas atrodas miera stāvoklī, un sistēmas kopējā kinētiskā enerģija ir 0.

Tā kā šie ir neelastīgas sadursmes , kinētiskā enerģija netiek saglabāta, bet kopējā enerģija vienmēr tiek saglabāta, tāpēc sadursmē “zaudētajai” kinētiskajai enerģijai ir jāpārvēršas kādā citā formā, piemēram, siltumā, skaņā utt.

Pirmajā piemērā, kur pārvietojas tikai viena automašīna, sadursmes laikā izdalītā enerģija ir K. Otrajā piemērā taču divas automašīnas pārvietojas, tāpēc kopējā sadursmes laikā izdalītā enerģija ir 2K. Tātad avārija B gadījumā ir acīmredzami enerģiskāka nekā A gadījuma avārija.

No automašīnām līdz daļiņām

Apsveriet galvenās atšķirības starp abām situācijām. Pie kvantu līmenis daļiņas, enerģija un matērija būtībā var apmainīties starp stāvokļiem. Automašīnas sadursmes fizika nekad, neatkarīgi no tā, cik enerģiska, neizdala pilnīgi jaunu automašīnu.

Abos gadījumos automašīna piedzīvotu tieši tādu pašu spēku. Vienīgais spēks, kas iedarbojas uz automašīnu, ir pēkšņs ātruma samazinājums no v līdz 0 īsā laika periodā sadursmes ar citu objektu dēļ.

Taču, aplūkojot kopējo sistēmu, sadursme situācijā ar divām automašīnām atbrīvo divreiz vairāk enerģijas nekā sadursme ar sienu. Tas ir skaļāks, karstāks un, iespējams, nekārtīgāks. Visticamāk, automašīnas ir saplūdušas viena otrā, gabaliem izlidojot nejaušos virzienos.

Tāpēc fiziķi paātrina daļiņas koliderā, lai pētītu augstas enerģijas fiziku. Divu daļiņu staru sadursmes darbība ir noderīga, jo daļiņu sadursmēs jums ir vienalga par daļiņu spēku (ko jūs nekad īsti neizmērāt); tā vietā jums rūp daļiņu enerģija.

Daļiņu paātrinātājs paātrina daļiņas, bet dara to ar ļoti reālu ātruma ierobežojumu, ko nosaka gaismas barjeras ātrums no Einšteina relativitātes teorija . Lai no sadursmēm izspiestu papildu enerģiju, tā vietā, lai sadursmei gandrīz gaismas ātruma daļiņu staru kūli ar nekustīgu objektu, labāk to sadurties ar citu gandrīz gaismas ātruma daļiņu staru, kas virzās pretējā virzienā.

No daļiņu viedokļa tās ne tik daudz “sagrūst vairāk”, bet, kad abas daļiņas saduras, tiek atbrīvots vairāk enerģijas. Daļiņu sadursmēs šī enerģija var izpausties citu daļiņu veidā, un jo vairāk enerģijas jūs izvelk no sadursmes, jo eksotiskākas ir daļiņas.