Fysikken i en bilkollisjon

Under en bilulykke overføres energi fra kjøretøyet til hva det måtte treffes, det være seg et annet kjøretøy eller en stasjonær gjenstand. Avhengig av variabler som endrer bevegelsestilstander, kan denne energioverføringen forårsake personskader og skade biler og eiendommer. Gjenstanden som ble truffet vil enten absorbere energien som presses på den eller muligens overføre den energien tilbake til kjøretøyet som slo den. Fokuserer på skillet mellom makt og energi kan være med på å forklare fysikken som er involvert.

Bilulykker er klare eksempler på hvordan Newtons lov om bevegelse arbeid. Hans første bevegelseslov, også referert til som treghetsloven, hevder at en gjenstand som er i bevegelse vil forbli i bevegelse med mindre en ekstern styrke opptrer på den. Motsatt, hvis en gjenstand er i ro, vil den forbli i ro til en ubalansert kraft virker på den.

Vurder en situasjon der bil A kolliderer med en statisk, uknuselig vegg. Situasjonen begynner med bil A som kjører med hastighet (v

Bilen utøver denne styrken i retning av veggen, men veggen, som er statisk og uknuselig, utøver en like kraft tilbake på bilen, ifølge Newtons tredje lov om bevegelse. Denne like store kraften er det som får biler til å trekkspill opp under kollisjoner.

Det er viktig å merke seg at dette er et idealisert modell. Når det gjelder bil A, hvis det smeller inn i veggen og stopper øyeblikkelig, ville det være en perfekt uelastisk kollisjon. Siden veggen ikke bryter eller beveger seg i det hele tatt, må hele kraften til bilen inn i veggen gå et sted. Enten er veggen så massiv at den akselererer, eller flytter en umerkelig mengde, eller den beveger seg ikke i det hele tatt, i hvilket tilfelle kollisjonens kraft virker på bilen og hele planeten, hvor den siste er åpenbart så massiv at effektene er ubetydelig.

I en situasjon der bil B kolliderer med bil C, har vi forskjellige styrkehensyn. Forutsatt at bil B og bil C er komplette speil av hverandre (igjen, dette er en meget idealisert situasjon), ville de kollidere med hverandre og gå på nøyaktig det samme hastighet men i motsatte retninger. Fra bevaring av fart, vet vi at de begge må hvile. 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 kraften i kollisjonen, men det er en andre del av spørsmålet: energien i kollisjonen.

Force er en vektor mengde mens kinetisk energi er en skalar mengdeberegnet med formelen K = 0,5 mv². I den andre situasjonen over har hver bil kinetisk energi K rett før kollisjonen. På slutten av kollisjonen står begge bilene i ro, og den totale kinetiske energien til systemet er 0.

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

I det første eksemplet der bare en bil er i bevegelse, er energien som frigjøres under kollisjonen K. I det andre eksemplet er det imidlertid to biler som beveger seg, så den totale energien som frigis under kollisjonen er 2K. Så krasjet i tilfelle B er helt klart mer energisk enn tilfellet A-krasj.

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

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

Når du ser på det totale systemet, frigjør imidlertid kollisjonen i situasjonen med to biler dobbelt så mye energi som kollisjonen med en vegg. Det er høyere, varmere og sannsynligvis messigere. Etter all sannsynlighet har bilene smeltet sammen, stykker som flyr av sted i tilfeldige retninger.

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

En partikkelakselerator fremskynder partikler, men gjør det med en veldig reell hastighetsbegrensning diktert av hastigheten på lysbarrieren fra Einsteins relativitetsteori. For å skvise litt ekstra energi ut av kollisjonene, i stedet for å kollidere en stråle med nær lyshastighetspartikler med en stasjonær gjenstand, er det bedre å kollidere det med en annen stråle av nesten lyshastighetspartikler som går motsatt retning.

Fra partikkelens ståsted "sprenger de ikke mer", men når de to partiklene kolliderer, frigjøres mer energi. Ved kollisjoner av partikler kan denne energien ha form av andre partikler, og jo mer energi du drar ut av kollisjonen, desto mer eksotiske er partiklene.