הפיזיקה של התנגשות מכוניות

במהלך תאונת דרכים מועברת אנרגיה מהרכב לכל מה שהוא פוגע, יהיה זה רכב אחר או חפץ נייח. העברת אנרגיה זו, בהתאם למשתנים המשנים את מצבי התנועה, יכולה לגרום לפציעות ולפגוע במכוניות ורכוש. החפץ שנפגע יספוג את האנרגיה המופעלת עליו או יעביר את האנרגיה חזרה לרכב שפגע בו. התמקדות בהבחנה בין כוח ו אנרגיה יכול לעזור להסביר את הפיזיקה המעורבת.

התרסקות מכוניות הן דוגמאות ברורות לכך חוקי התנועה של ניוטון עבודה. חוק התנועה הראשון שלו, המכונה גם חוק האינרציה, טוען כי חפץ בתנועה יישאר בתנועה אלא אם כן פועל עליו כוח חיצוני. לעומת זאת, אם חפץ נמצא במנוחה, הוא יישאר במנוחה עד שיפעל עליו כוח לא מאוזן.

קחו בחשבון מצב בו מכונית א 'מתנגשת בקיר סטטי ובלתי ניתן לשבירה. המצב מתחיל במכונית A הנוסעת במהירות (v) ועם התנגשות בקיר והסתיימה במהירות 0. כוחו של מצב זה מוגדר על ידי חוק התנועה השני של ניוטון, המשתמש במשוואת הכוח שווה להאצה של פעמים המסה. במקרה זה, התאוצה היא (v - 0) / t, כאשר t זה יהיה כל זמן שיידרש לרכב A כדי לעצור.

המכונית מפעילה כוח זה לכיוון הקיר, אך הקיר, שהוא סטטי ובלתי ניתן לשבירה, מפעיל כוח שווה בחזרה על המכונית, לפי חוק התנועה השלישי של ניוטון. הכוח השווה הזה הוא שגורם למכוניות לאקורדיון במהלך התנגשויות.

חשוב לציין שמדובר ב- מודל אידיאלי. במקרה של מכונית א ', אם היא תתחמק בקיר ותגיע לעצירה מיידית, זה יהיה א התנגשות בלתי-אלסטית לחלוטין. מכיוון שהקיר לא נשבר או זז בכלל, על מלוא כוחה של המכונית לקיר להיכנס לאנשהו. או שהקיר כה מסיבי שהוא מאיץ, או מזיז כמות בלתי מורגשת, או שהוא לא זז בכלל, ובמקרה זה כוח ההתנגשות פועל על המכונית וכוכב הלכת כולו, והאחרון שבהם, כמובן, כה מסיבי עד שההשפעות הן זניח.

במצב בו מכונית B מתנגשת עם מכונית C, יש לנו שיקולי כוח שונים. בהנחה שמכונית B ומכונית C הם מראות שלמות זו מזו (שוב, זהו מצב אידיאלי ביותר), הם היו מתנגשים זה בזה והולכים בדיוק באותו האופן מהירות אבל בכיוונים הפוכים. משמירת המומנטום אנו יודעים ששניהם חייבים לנוח. המסה זהה, לפיכך, הכוח שחווה המכונית B והמכונית C זהה, וגם זהה לזה שפועל על המכונית במקרה A בדוגמה הקודמת.

זה מסביר את כוח ההתנגשות, אך ישנו חלק שני בשאלה: האנרגיה שבתוך ההתנגשות.

כוח הוא א וקטור כמות בזמן אנרגיה קינטית הוא כמות סקלרית, מחושב עם הנוסחה K = 0.5mv². במצב השני שלמעלה, לכל מכונית אנרגיה קינטית K ישירות לפני ההתנגשות. בתום ההתנגשות שתי המכוניות במנוחה, והאנרגיה הקינטית הכוללת של המערכת היא 0.

מכיוון שאלו התנגשויות בלתי-אלסטיות, האנרגיה הקינטית אינה נשמרת, אלא אנרגיה כוללת נשמר תמיד, כך שהאנרגיה הקינטית "שאבדה" בהתנגשות צריכה להמיר לצורה אחרת, כמו חום, צליל וכו '.

בדוגמה הראשונה בה רק מכונית אחת נעה, האנרגיה המשתחררת במהלך ההתנגשות היא K. בדוגמה השנייה, עם זאת, שתיים הן מכוניות הנעות, כך שהאנרגיה הכוללת המשתחררת במהלך ההתנגשות היא 2K. אז ההתרסקות במקרה B היא בבירור אנרגטית יותר מההתרסקות במקרה.

שקול את ההבדלים העיקריים בין שני המצבים. ב רמת קוונטית של חלקיקים, אנרגיה וחומר יכולים למעשה להחליף בין מצבים. הפיזיקה של התנגשות מכונית לעולם לא תישלח מכונית חדשה לחלוטין, לא משנה עד כמה היא אנרגטית.

המכונית תחווה בדיוק אותו כוח בשני המקרים. הכוח היחיד שפועל על המכונית הוא האטה פתאומית ממהירות v ל- 0 בפרק זמן קצר, בגלל ההתנגשות עם חפץ אחר.

עם זאת, בעת צפייה במערכת הכוללת, ההתנגשות במצב עם שתי מכוניות משחררת אנרגיה פי שניים מההתנגשות עם קיר. זה חזק יותר, חם יותר וכנראה יותר מבולגן. ככל הנראה, המכוניות התמזגו זו בזו, חלקים עפים לכיוונים אקראיים.

זו הסיבה שפיזיקאים מאיצים חלקיקים במפגשים כדי ללמוד פיזיקה באנרגיה גבוהה. פעולת ההתנגשות של שתי קרני חלקיקים מועילה מכיוון שבהתנגשויות חלקיקים לא אכפת לך באמת מכוח החלקיקים (שלעולם לא באמת מודדים); אכפת לך במקום מהאנרגיה של החלקיקים.

מאיץ החלקיקים מזרז חלקיקים אך עושה זאת עם הגבלת מהירות אמיתית מאוד המוכתבת על ידי מהירות מחסום האור מ תורת היחסות של אינשטיין. לסחוט קצת אנרגיה נוספת מההתנגשויות, במקום להתנגש בקורה של חלקיקים מהירות האור כמעט עם א עצם נייח, עדיף להתנגש בזה עם קרן אחרת של חלקיקים מהירות האור כמעט ההפוכה כיוון.

מבחינת החלקיק הם לא כל כך "מתנפצים יותר", אך כאשר שני החלקיקים מתנגשים, יותר אנרגיה משתחררת. בהתנגשויות של חלקיקים אנרגיה זו יכולה ללבוש צורה של חלקיקים אחרים, וככל שתוציא יותר אנרגיה מההתנגשות, כך החלקיקים אקזוטיים יותר.