Физика столкновения автомобилей

Во время автокатастрофы энергия передается от транспортного средства к тому, на что оно попадает, будь то другое транспортное средство или неподвижный объект. Эта передача энергии, в зависимости от переменных, которые изменяют состояния движения, может привести к травмам и повреждению автомобилей и имущества. Ударенный объект будет либо поглощать энергию, направленную на него, либо, возможно, передавать эту энергию обратно в транспортное средство, которое его ударило. Сосредоточив внимание на различие между сила и энергия может помочь объяснить физику.

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

Рассмотрим ситуацию, в которой автомобиль А сталкивается со статичной, нерушимой стеной. Ситуация начинается с автомобиля А, едущего со скоростью (v

Автомобиль прилагает эту силу в направлении стены, но стена, которая является статичной и не разрушаемой, прилагает равную силу обратно к автомобилю, согласно третьему закону движения Ньютона. Эта равная сила - то, что заставляет автомобили биться во время столкновений.

Важно отметить, что это идеализированная модель. В случае автомобиля А, если он врезается в стену и немедленно останавливается, это будет совершенно неупругое столкновение. Поскольку стена не ломается и не движется вообще, вся сила автомобиля в стене должна куда-то уходить. Либо стена настолько массивна, что ускоряется, либо движется незаметно, либо не движется вообще, и в этом случае сила столкновения действует на автомобиль и всю планету, последняя из которых, очевидно, настолько массивна, что незначителен.

В ситуации, когда автомобиль B сталкивается с автомобилем C, у нас разные соображения силы. Предполагая, что автомобиль B и автомобиль C являются полными зеркалами друг друга (опять же, это очень идеализированная ситуация), они будут сталкиваться друг с другом, происходя в точности одинаково скорость но в противоположных направлениях. Из сохранения импульса мы знаем, что они оба должны прийти в себя. Масса одинакова, поэтому 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 внутри столкновения.

Сила это вектор количество в то время как кинетическая энергия это скалярная величина, рассчитывается по формуле К = 0,5 мВ². Во второй описанной выше ситуации каждый автомобиль имеет кинетическую энергию K непосредственно перед столкновением. В конце столкновения оба автомобиля находятся в состоянии покоя, и общая кинетическая энергия системы равна 0.

Так как это неупругие столкновениякинетическая 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, когда движется только одна машина, энергия, выделяемая во время столкновения, равна K. Во втором примере, однако, две являются движущимися автомобилями, поэтому общая энергия, выделяемая во время столкновения, составляет 2К. Таким образом, авария в случае B явно более энергична, чем авария в случае А.

Рассмотрим основные различия между двумя ситуациями. На квантовый уровень частиц, энергии и вещества могут в основном меняться между состояниями. Физика автомобильного столкновения никогда, независимо от того, насколько энергична, не испустит совершенно новый автомобиль.

Автомобиль будет испытывать абсолютно одинаковую силу в обоих случаях. Единственная сила, которая действует на автомобиль, - 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 высвобождает вдвое больше энергии, чем столкновение со стеной. Это громче, горячее и, вероятно, грязнее. По всей вероятности, машины слились друг с другом, куски разлетелись в случайных направлениях.

Вот почему физики ускоряют частицы в коллайдере для изучения физики высоких энергий. Акт столкновения двух пучков частиц полезен, потому что в столкновениях 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 от Теория относительности Эйнштейна. Чтобы выжать дополнительную энергию из столкновений, вместо того, чтобы сталкивать пучок частиц, близких к скорости света, с стационарный объект, лучше столкнуть его с другим пучком частиц, близких к скорости света, идущих в противоположную сторону направление.

С точки зрения частиц, они не так сильно «разрушаются больше», но когда две частицы сталкиваются, высвобождается больше энергии. При столкновениях частиц эта энергия может принимать форму других частиц, и чем больше энергии вы вытаскиваете из столкновения, тем экзотичнее частицы.