Fizika trčenja avtomobila

Med avtomobilsko nesrečo se energija prenaša z vozila na karkoli zadene, pa naj bo to drugo vozilo ali stacionarni predmet. Ta prenos energije, odvisno od spremenljivk, ki spreminjajo gibanje, lahko povzroči poškodbe in poškoduje avtomobile in premoženje. Predmet, ki je bil udarjen, bodisi absorbira energijski potisk nanjo ali pa bo morda to energijo prenesel nazaj v vozilo, ki ga je prizadelo. Osredotočenost na razliko med silo in energija lahko pomaga razložiti vpleteno fiziko.

Avtomobilske nesreče so jasni primeri, kako Newtonovi zakoni gibanja delati. Njegov prvi zakon gibanja, imenovan tudi zakon vztrajnosti, trdi, da bo predmet v gibanju ostal v gibanju, če nanj ne deluje zunanja sila. Če pa je objekt v mirovanju, bo ostal v mirovanju, dokler nanj ne deluje neuravnotežena sila.

Razmislite o situaciji, v kateri avtomobil A trči v statično, nelomljivo steno. Situacija se začne z avtomobilom A, ki potuje s hitrostjo (v) in se ob trku s steno konča s hitrostjo 0. Moč te situacije je določena z Newtonovim drugim zakonom gibanja, ki uporablja enačbo sile, enako masnim kraticam pospeška. V tem primeru je pospešek (v - 0) / t, kjer je t, kolikor časa potrebuje avto A, da se ustavi.

Avtomobil izvaja to silo v smeri stene, vendar je stena, ki je statična in nezlomljiva, na avtomobil potegnila enako silo, po Newtonovem tretjem zakonu gibanja. Ta enaka sila je tisto, zaradi česar se avtomobili med trčenjem poženejo v harmoniko.

Pomembno je upoštevati, da gre za an idealiziran model. Če gre za avto A, če se zaleti v steno in se takoj ustavi, bi to bilo a popolnoma neelastično trčenje. Ker se stena sploh ne zlomi ali premakne, mora celotna sila avtomobila v steno nekam iti. Ali je stena tako masivna, da pospešuje, ali premakne neopazno količino, ali pa se sploh ne premakne, v tem primeru sila trčenja deluje na avtomobil in ves planet, katerega slednji je očitno tako velik, da so učinki zanemarljiv.

V primeru, ko avtomobil B trči v avto C, imamo različne pomisleke o sili. Ob predpostavki, da sta avtomobil B in avtomobil C popolna ogledala (spet je to zelo idealizirana situacija), bi se med seboj trčila v povsem enako hitrost vendar v nasprotnih smereh. Iz ohranjanja zagona vemo, da se morata oba spočiti. Masa je enaka, zato je sila, ki jo doživljata avtomobil B in avtomobil C, enaka in tudi enaka tisti, ki deluje na avto v primeru A v prejšnjem primeru.

To sicer razloži silo trka, vendar je tu še en del vprašanja: energija znotraj trka.

Sila je a vektor količina, medtem ko kinetična energija je skalarna količina, izračunano s formulo K = 0,5mv². V drugi zgornji situaciji ima vsak avtomobil kinetično energijo K neposredno pred trkom. Na koncu trka sta oba avtomobila v mirovanju, skupna kinetična energija sistema pa je 0.

Ker so to neelastične trke, kinetična energija ni ohranjena, vendar skupna energija je vedno ohranjen, zato se mora kinetična energija, "izgubljena" v trčenju, pretvoriti v neko drugo obliko, kot so toplota, zvok itd.

V prvem primeru, ko se giblje samo en avtomobil, je energija, ki se sproži med trčenjem, K. V drugem primeru pa sta dva avtomobila, ki se gibljeta, tako da je skupna energija, ki se sprosti med trkom, 2K. Torej je strmoglavitev v primeru B očitno bolj energična kot primer nesreče A.

Upoštevajte glavne razlike med obema situacijama. Pri kvantna raven delcev, energije in materije se lahko v bistvu zamenjajo med stanji. Fizika trčenja avtomobila ne bo nikoli, ne glede na to, kako energična je, oddala povsem nov avtomobil.

Avtomobil bi v obeh primerih doživel popolnoma enako silo. Edina sila, ki deluje na avtomobil, je nenadna upočasnitev hitrosti v do 0 v kratkem času, zaradi trka z drugim predmetom.

Vendar ob ogledu celotnega sistema trčenje v situaciji z dvema avtomobiloma sprosti dvakrat več energije kot trčenje s steno. Je glasnejši, bolj vroč in verjetno bolj mesan. Po vsej verjetnosti so se avtomobili zlili med seboj, kosi so leteli v naključnih smereh.

Zato fiziki pospešujejo delce v trkalniku, da preučujejo visokoenergijsko fiziko. Akt trčenja dveh snopov delcev je uporaben, ker pri trčenju z delci vas pravzaprav ne zanima sila delcev (ki je v resnici nikoli ne merite); namesto vas skrbi energija delcev.

Akcelerator za delce pospeši delce, vendar to počne z zelo resnično omejitvijo hitrosti, ki jo narekuje hitrost barvne ovire iz Einsteinova teorija relativnosti. Da bi iz trka iztisnili nekaj dodatne energije, namesto da bi snop delcev s skoraj hitrostjo trčili z stacionarni predmet, bolje je trčiti z drugim snopom delcev skoraj svetlobne hitrosti, ki gredo nasprotno smer.

Z vidika delcev se ne toliko bolj "razbijejo", toda ko se dva delca trčita, se sprosti več energije. Pri trčenju delcev je ta energija lahko v obliki drugih delcev, in več energije, ki jo potegnete iz trka, bolj eksotični so delci.