فيزياء تصادم سيارة

خلال حادث تصادم السيارة ، يتم نقل الطاقة من السيارة إلى أي شيء يصيبها ، سواء كانت مركبة أخرى أو جسمًا ثابتًا. نقل الطاقة هذا ، اعتمادًا على المتغيرات التي تغير حالات الحركة ، يمكن أن يتسبب في حدوث إصابات وتلف السيارات والممتلكات. الكائن الذي تم ضربه إما يمتص قوة الدفع عليه أو قد ينقل تلك الطاقة مرة أخرى إلى السيارة التي أصابها. مع التركيز على التمييز بين فرض و الطاقة يمكن أن تساعد في شرح الفيزياء المعنية.

القوة: الاصطدام مع الحائط

حوادث السيارات هي أمثلة واضحة على كيف قوانين نيوتن للحركة عمل. يؤكد قانون الحركة الأول ، والذي يشار إليه أيضًا باسم قانون القصور الذاتي ، أن أي شيء متحرك سيبقى في حالة حركة ما لم تتصرف قوة خارجية عليه. على العكس من ذلك ، إذا كان كائن ما في حالة راحة ، فسيبقى في حالة راحة حتى تعمل قوة غير متوازنة عليه.

فكر في موقف تصطدم فيه السيارة A بجدار ثابت غير قابل للكسر. يبدأ الموقف بسيارة A تسير بسرعة (v) وعند الاصطدام بالجدار تنتهي بسرعة 0. يتم تعريف قوة هذا الموقف بموجب قانون نيوتن الثاني للحركة ، والذي يستخدم معادلة القوة تساوي تسارع أوقات الكتلة. في هذه الحالة ، يكون التسارع (v - 0) / t ، حيث t هو أي وقت يستغرق السيارة A للتوقف.

تمارس السيارة هذه القوة في اتجاه الجدار ، لكن الجدار ، الثابت وغير القابل للكسر ، يبذل قوة متساوية في السيارة ، وفقًا لقانون نيوتن الثالث للحركة. هذه القوة المتساوية هي ما يجعل السيارات أكورديون خلال التصادمات.

من المهم أن نلاحظ أن هذا هو نموذج مثالي. في حالة السيارة أ ، إذا ارتطمت بالجدار وتوقفت على الفور ، فسيكون ذلك تصادم غير مرن تماما. نظرًا لأن الجدار لا ينكسر أو يتحرك على الإطلاق ، يجب أن تذهب القوة الكاملة للسيارة إلى الحائط إلى مكان ما. إما أن الجدار ضخم للغاية بحيث يتسارع ، أو يتحرك بكمية غير محسوسة ، أو أنه لا يتحرك على الإطلاق ، وفي هذه الحالة تعمل قوة التصادم على السيارة وعلى الكوكب بأسره ، وهذا الأخير ، بكل وضوح ، ضخم للغاية بحيث تكون التأثيرات ضئيلة.

القوة: الاصطدام مع سيارة

في حالة تصادم السيارة B مع السيارة C ، لدينا اعتبارات قوة مختلفة. على افتراض أن السيارة B والسيارة C هما مرآة كاملة لبعضها البعض (مرة أخرى ، هذا وضع مثالي للغاية) ، فإنها ستصطدم ببعضها البعض في نفس الوضع تمامًا سرعة ولكن في اتجاهين متعاكسين. من الحفاظ على الزخم ، نحن نعلم أنه يجب أن يأتي كلاهما للراحة. الكتلة هي نفسها ، وبالتالي ، فإن القوة التي تعاني منها السيارة B والسيارة C متطابقة ، كما أنها مماثلة لتلك التي تعمل على السيارة في الحالة A في المثال السابق.

هذا ما يفسر قوة الاصطدام ، ولكن هناك جزء ثان من السؤال: الطاقة داخل التصادم.

الطاقة

القوة هي المتجه الكمية في حين الطاقة الحركية هو الكمية العددية، تحسب مع الصيغة K = 0.5mv2. في الحالة الثانية أعلاه ، كل سيارة لديها الطاقة الحركية K مباشرة قبل الاصطدام. في نهاية الاصطدام ، تكون السيارتان في حالة راحة ، ويبلغ إجمالي الطاقة الحركية للنظام 0.

لأن هذه هي اصطدام غير مرن، لا يتم الحفاظ على الطاقة الحركية ، ولكن مجموع الطاقة يتم حفظه دائمًا ، لذلك يجب تحويل الطاقة الحركية "المفقودة" في التصادم إلى شكل آخر ، مثل الحرارة والصوت ، إلخ.

في المثال الأول حيث تتحرك سيارة واحدة فقط ، تكون الطاقة المنبعثة أثناء التصادم هي K. في المثال الثاني ، مع ذلك ، هناك سيارتان تتحركان ، وبالتالي فإن إجمالي الطاقة المنبعثة خلال التصادم هي 2K. وبالتالي فإن التعطل في الحالة B هو أكثر نشاطًا بشكل واضح من الحالة A التعطل.

من السيارات إلى الجزيئات

النظر في الاختلافات الرئيسية بين الحالتين. في ال مستوى الكم من الجسيمات ، والطاقة والمواد يمكن مبادلة أساسا بين الدول. فيزياء تصادم السيارة لن تنبعث أبدًا ، مهما كانت حيوية ، سيارة جديدة تمامًا.

ستواجه السيارة نفس القوة في كلتا الحالتين. القوة الوحيدة التي تعمل على السيارة هي التباطؤ المفاجئ من سرعة v إلى 0 في فترة زمنية قصيرة ، بسبب التصادم مع كائن آخر.

ومع ذلك ، عند عرض النظام الكلي ، فإن التصادم في الموقف بسيارتين ينتج عنه ضعف الطاقة التي ينتج عنها التصادم مع الحائط. انها أعلى صوتا ، وأكثر سخونة ، وربما أكثر فوضى. في جميع الاحتمالات ، انصهرت السيارات في بعضها البعض ، وقطع الطيران في اتجاهات عشوائية.

وهذا هو السبب وراء تسريع علماء الفيزياء للجسيمات في المصادم لدراسة فيزياء الطاقة العالية. إن عملية تصادم عمودين من الجسيمات مفيدة لأنك في تصادمات الجسيمات لا تهتم حقًا بقوة الجسيمات (التي لا تقيسها أبدًا) ؛ يهمك بدلا من ذلك عن طاقة الجسيمات.

يسرع مسرع الجسيمات الجسيمات ولكنه يفعل ذلك مع وجود قيود حقيقية على السرعة تمليها سرعة حاجز الضوء من نظرية أينشتاين للنسبية. للضغط على بعض الطاقة الإضافية للخروج من التصادمات ، بدلاً من اصطدام حزمة من الجزيئات القريبة من سرعة الضوء باستخدام كائن ثابت ، من الأفضل أن تصطدم به مع حزمة أخرى من جسيمات قريبة من الضوء تسير عكس ذلك اتجاه.

من وجهة نظر الجسيم ، فإنها لا "تتحطم أكثر من ذلك بكثير" ، لكن عندما يتصادم الجسيمان ، يتم إطلاق المزيد من الطاقة. في تصادمات الجسيمات ، يمكن أن تأخذ هذه الطاقة شكل جزيئات أخرى ، وكلما زادت الطاقة التي تسحبها من التصادم ، كانت الجزيئات أكثر غرابة.