Fysikken til en bilkollisjon

Energi og kraft er involvert i krasjet

Krasjet bil

Lee Haywood/Flickr/CC BY-SA 2.0





Under en bilulykke overføres energi fra kjøretøyet til det det treffer, det være seg et annet kjøretøy eller en stillestående gjenstand. Denne overføringen av energi, avhengig av variabler som endrer bevegelsestilstander, kan forårsake skader og skade biler og eiendom. Gjenstanden som ble truffet vil enten absorbere energien som ble presset på den eller muligens overføre den energien tilbake til kjøretøyet som traff den. Med fokus på skillet mellom makt og energi kan hjelpe med å forklare fysikken som er involvert.

Kraft: Kollidere med en vegg

Bilulykker er klare eksempler på hvordan Newtons bevegelseslover arbeid. Hans første bevegelseslov, også referert til som treghetsloven, hevder at et objekt i bevegelse vil forbli i bevegelse med mindre en ekstern kraft virker på det. Omvendt, hvis en gjenstand er i ro, vil den forbli i ro til en ubalansert kraft virker på den.



Tenk på en situasjon der bil A kolliderer med en statisk, uknuselig vegg. Situasjonen begynner med bil A som kjører med en hastighet (v ) og, ved kollisjon med veggen, avsluttes med en hastighet på 0. Kraften i denne situasjonen er definert av Newtons andre bevegelseslov, som bruker kraftligningen lik masse ganger akselerasjon. I dette tilfellet er akselerasjonen (v - 0)/t, der t er den tiden det tar for bil A å stoppe.

Bilen utøver denne kraften i retning av veggen, men veggen, som er statisk og uknuselig, utøver en lik kraft tilbake på bilen, i henhold til Newtons tredje bevegelseslov. Denne like kraften er det som får biler til å trekkspille under kollisjoner.



Det er viktig å merke seg at dette er en idealisert modell . I tilfellet med bil A, hvis den smeller i veggen og stopper umiddelbart, vil det være en perfekt uelastisk kollisjon . Siden veggen ikke går i stykker eller beveger seg i det hele tatt, må hele kraften av bilen inn i veggen gå et sted. Enten er veggen så massiv at den akselererer, eller beveger seg umerkelig mye, eller så beveger den seg ikke i det hele tatt, i så fall virker kraften fra kollisjonen på bilen og hele planeten, sistnevnte er åpenbart, så massiv at effektene er ubetydelige.

Kraft: Kollidere med en bil

I en situasjon hvor bil B kolliderer med bil C, har vi ulike kraftbetraktninger. Forutsatt at bil B og bil C er komplette speil av hverandre (igjen, dette er en svært idealisert situasjon), ville de kollidere med hverandre på nøyaktig samme måte hastighet men i motsatte retninger. Fra bevaring av momentum vet vi at de begge må komme til ro. Massen er den samme, derfor er kraften som oppleves av bil B og bil C identisk, og også identisk med den som virker på bilen i tilfelle A i forrige eksempel.

Dette forklarer styrken til kollisjonen, men det er en andre del av spørsmålet: energien i kollisjonen.

Energi

Kraft er en vektor mengde mens kinetisk energi er en skalær mengde , beregnet med formelen K = 0,5mvto. I den andre situasjonen ovenfor har hver bil kinetisk energi K rett før kollisjonen. Ved slutten av kollisjonen er begge bilene i ro, og den totale kinetiske energien til systemet er 0.



Siden disse er uelastiske kollisjoner , den kinetiske energien er ikke bevart, men total energi er alltid bevart, så den kinetiske energien 'tapte' i kollisjonen må omdannes til en annen form, for eksempel varme, lyd osv.

I det første eksemplet hvor kun én bil beveger seg, er energien som frigjøres under kollisjonen K. I det andre eksemplet er imidlertid to biler i bevegelse, så den totale energien som frigjøres under kollisjonen er 2K. Så krasjet i tilfelle B er klart mer energisk enn tilfelle A krasjet.



Fra biler til partikler

Vurder de store forskjellene mellom de to situasjonene. På kvantenivå av partikler, energi og materie kan i utgangspunktet bytte mellom tilstander. Fysikken til en bilkollisjon vil aldri, uansett hvor energisk den er, avgi en helt ny bil.

Bilen ville oppleve nøyaktig samme kraft i begge tilfeller. Den eneste kraften som virker på bilen er den plutselige retardasjonen fra v til 0 hastighet i løpet av kort tid, på grunn av kollisjonen med en annen gjenstand.



Men når man ser på det totale systemet, frigjør kollisjonen i situasjonen med to biler dobbelt så mye energi som kollisjonen med en vegg. Det er høyere, varmere og sannsynligvis rotete. Etter all sannsynlighet har bilene smeltet sammen, biter flyr av gårde i tilfeldige retninger.

Dette er grunnen til at fysikere akselererer partikler i en kolliderer for å studere høyenergifysikk. Handlingen med å kollidere to partikkelstråler er nyttig fordi i partikkelkollisjoner bryr du deg egentlig ikke om kraften til partiklene (som du egentlig aldri måler); du bryr deg i stedet om energien til partiklene.



En partikkelakselerator øker hastigheten på partikler, men gjør det med en veldig reell hastighetsbegrensning diktert av lysbarrierens hastighet fra Einsteins relativitetsteori . For å presse litt ekstra energi ut av kollisjonene, i stedet for å kollidere en stråle med partikler i nærlyshastighet med et stasjonært objekt, er det bedre å kollidere den med en annen stråle med partikler i nærlyshastighet i motsatt retning.

Fra partikkelens ståsted 'knuser de ikke så mye mer', men når de to partiklene kolliderer, frigjøres mer energi. Ved kollisjoner av partikler kan denne energien ta form av andre partikler, og jo mer energi du trekker ut av kollisjonen, jo mer eksotiske er partiklene.