Fysikken i en bilkollision

Under et bilulykke overføres energi fra køretøjet til hvad det rammer, det være sig et andet køretøj eller et stationært objekt. Denne overførsel af energi afhængigt af variabler, der ændrer bevægelsestilstand, kan forårsage personskader og skade biler og ejendom. Det objekt, der blev ramt, vil enten absorbere det energi, der presses på det, eller muligvis overføre den energi tilbage til det køretøj, der ramte det. Fokus på sondringen mellem kraft og energi kan hjælpe med at forklare den involverede fysik.

Bilulykker er klare eksempler på, hvordan Newtons bevægelseslove arbejde. Hans første bevægelseslov, også benævnt inerti-loven, hævder, at en genstand, der er i bevægelse, vil forblive i bevægelse, medmindre en ekstern kraft handler på den. Omvendt, hvis et objekt er i ro, forbliver det i hvile, indtil en ubalanceret kraft virker på det.

Overvej en situation, hvor bil A kolliderer med en statisk, uknuselig mur. Situationen begynder med bil A, der kører med en hastighed (v

Bilen udøver denne kraft i retning af væggen, men væggen, som er statisk og uknuselig, udøver en lige kraft tilbage på bilen, ifølge Newtons tredje bevægelseslov. Denne lige kraft er det, der får biler til at trekke op under kollisioner.

Det er vigtigt at bemærke, at dette er en idealiseret model. I tilfælde af bil A, hvis det smækker ind i væggen og kommer til et øjeblikkeligt stop, ville det være en perfekt uelastisk kollision. Da væggen slet ikke går i stykker eller bevæger sig, skal bilens fulde kraft ind i væggen gå et sted. Enten er væggen så massiv, at den accelererer eller bevæger sig en umærkelig mængde, eller den bevæger sig slet ikke, i hvilket tilfælde kraften i kollisionen virker på bilen og på hele planeten, hvis sidstnævnte er åbenlyst så massiv, at virkningerne er ubetydelig.

I en situation, hvor bil B kolliderer med bil C, har vi forskellige kraftovervejelser. Hvis man antager, at bil B og bil C er komplette spejle i hinanden (igen, dette er en meget idealiseret situation), ville de kollidere med hinanden og gå på nøjagtigt det samme hastighed men i modsatte retninger. Fra bevarelse af momentum ved vi, at de begge skal hvile. Massen er den samme, derfor er kraften, der opleves af bil B og bil C, identisk og også identisk med den, der virker på bilen i tilfælde af A i det foregående eksempel.

Dette forklarer kraften i kollisionen, men der er en anden del af spørgsmålet: energien inden for kollisionen.

Force er en vektor mængde mens kinetisk energi er en skalarmængdeberegnet med formlen K = 0,5 mv². I den anden situation ovenfor har hver bil kinetisk energi K direkte inden kollisionen. Ved afslutningen af ​​kollisionen er begge biler i ro, og den samlede kinetiske energi i systemet er 0.

Da disse er uelastiske kollisioner, den kinetiske energi bevares ikke, men samlet energi er altid konserveret, så den kinetiske energi "mistet" i kollisionen er nødt til at konvertere til en anden form, såsom varme, lyd osv.

I det første eksempel, hvor kun en bil bevæger sig, er den energi, der frigives under kollisionen, K. I det andet eksempel er der imidlertid to biler, der bevæger sig, så den samlede energi, der frigives under kollisionen, er 2K. Så nedbruddet i tilfælde af B er helt klart mere energisk end tilfældet A-nedbrud.

Overvej de største forskelle mellem de to situationer. Ved kvante niveau af partikler, energi og stof kan dybest set skifte mellem tilstande. Fysikken i en bilkollision vil aldrig, uanset hvor energisk, udsende en helt ny bil.

Bilen oplever nøjagtigt den samme kraft i begge tilfælde. Den eneste kraft, der virker på bilen, er den pludselige deceleration fra v til 0 hastighed på kort tid på grund af kollisionen med et andet objekt.

Når man ser det samlede system, frigiver kollisionen i situationen med to biler dog dobbelt så meget energi som kollisionen med en væg. Det er højere, varmere og sandsynligvis messier. Efter sandsynlighed har bilene smeltet sammen, stykker der flyver væk i tilfældige retninger.

Dette er grunden til, at fysikere fremskynder partikler i en collider for at studere højenergifysik. Handlingen med at kollidere to stråler af partikler er nyttig, fordi du i partikelkollisioner ikke rigtig bryder dig om kraften i partiklerne (som du aldrig rigtig måler); du interesserer dig i stedet for partiklenes energi.

En partikelaccelerator fremskynder partikler, men gør det med en meget reel hastighedsbegrænsning dikteret af hastigheden på lysbarrieren fra Einsteins relativitetsteori. At skubbe lidt ekstra energi ud af kollisionerne i stedet for at kollidere en stråle af partikler med nær lyshastighed med en stationært objekt, er det bedre at kollidere det med en anden stråle af partikler i nær lyshastighed, der går modsat retning.

Fra partiklens synspunkt "brydes de ikke så meget", men når de to partikler kolliderer, frigives der mere energi. Ved kollisioner med partikler kan denne energi have form af andre partikler, og jo mere energi du trækker ud af kollisionen, desto mere eksotiske er partiklerne.