น่าสนใจ

ฟิสิกส์ของการชนรถยนต์

ฟิสิกส์ของการชนรถยนต์

ในระหว่างที่รถชนกันพลังงานจะถูกถ่ายโอนจากยานพาหนะไปยังสิ่งที่มันชนไม่ว่าจะเป็นยานพาหนะอื่นหรือวัตถุที่อยู่กับที่ การถ่ายโอนพลังงานนี้ขึ้นอยู่กับตัวแปรที่เปลี่ยนแปลงสถานะของการเคลื่อนไหวสามารถทำให้เกิดการบาดเจ็บและความเสียหายของรถยนต์และทรัพย์สิน วัตถุที่ถูกกระแทกจะดูดซับพลังงานไว้ที่มันหรืออาจถ่ายโอนพลังงานนั้นกลับไปที่รถที่พุ่งเข้าชน การมุ่งเน้นไปที่ความแตกต่างระหว่างแรงและพลังงานสามารถช่วยอธิบายฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้อง

แรง: ปะทะกับกำแพง

รถชนเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนว่า Laws of Motion ของนิวตันทำงานอย่างไร กฎการเคลื่อนที่ข้อแรกของเขาหรือที่เรียกว่ากฎความเฉื่อยอ้างว่าวัตถุที่เคลื่อนที่นั้นจะยังคงเคลื่อนที่จนกว่าจะมีแรงกระทำจากภายนอกกระทำกับมัน ในทางกลับกันหากวัตถุอยู่นิ่งก็จะคงอยู่จนกว่าจะมีแรงกระทำที่ไม่สมดุล

พิจารณาสถานการณ์ที่รถ A ชนกับกำแพงที่ไม่หยุดนิ่ง สถานการณ์เริ่มต้นด้วยรถยนต์ A เดินทางด้วยความเร็ว (v) และเมื่อชนกับกำแพงลงท้ายด้วยความเร็ว 0 แรงของสถานการณ์นี้ถูกกำหนดโดยกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สองของนิวตันซึ่งใช้สมการของแรงเท่ากับมวลคูณความเร่ง ในกรณีนี้ความเร่งคือ (v - 0) / t โดยที่ t คือเวลาใดก็ตามที่รถ A ต้องหยุด

รถใช้แรงนี้ไปในทิศทางของผนัง แต่ผนังซึ่งเป็นแบบคงที่และไม่แตกหักจะออกแรงแรงเท่ากันบนรถตามกฎการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตัน แรงที่เท่ากันนี้เป็นสิ่งที่ทำให้รถยนต์เกิดการประสานระหว่างการชน

เป็นเรื่องสำคัญที่จะต้องทราบว่านี่เป็นรูปแบบในอุดมคติ ในกรณีของรถยนต์ A ถ้ามันชนกับกำแพงและหยุดลงทันทีนั่นจะเป็นการชนที่ไม่ยืดหยุ่นอย่างสมบูรณ์แบบ เนื่องจากผนังไม่พังหรือเคลื่อนที่เลยแรงเต็มกำลังของรถจึงต้องไปที่ใดที่หนึ่ง ไม่ว่าจะเป็นกำแพงขนาดใหญ่ที่เร่งความเร็วหรือเคลื่อนย้ายในปริมาณที่ไม่สามารถมองเห็นได้หรือไม่เคลื่อนที่เลยในกรณีนี้แรงของการปะทะจะกระทำกับรถยนต์และโลกทั้งใบซึ่งเป็นที่แน่ชัด ใหญ่จนผลกระทบนั้นเล็กน้อย

แรง: ปะทะกับรถยนต์

ในสถานการณ์ที่รถ B ชนกับรถยนต์ C เรามีข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับแรงที่แตกต่างกัน สมมติว่ารถ B และรถ C เป็นกระจกที่สมบูรณ์ของกันและกัน (อีกครั้งนี่เป็นสถานการณ์ที่เหมาะอย่างยิ่ง) พวกเขาจะชนกันด้วยความเร็วเดียวกันอย่างแม่นยำ แต่ไปในทิศทางตรงกันข้าม จากการอนุรักษ์โมเมนตัมเรารู้ว่าพวกเขาทั้งสองจะต้องหยุดพัก มวลนั้นเหมือนกันดังนั้นแรงที่เกิดขึ้นโดยรถยนต์ B และรถยนต์ C จะเหมือนกันและก็เหมือนกับที่ทำกับรถในกรณี A ในตัวอย่างก่อนหน้านี้

สิ่งนี้อธิบายถึงพลังของการชน แต่มีส่วนที่สองของคำถาม: พลังงานภายในการชน

พลังงาน

Force เป็นปริมาณเวกเตอร์ในขณะที่พลังงานจลน์เป็นปริมาณสเกลาร์คำนวณด้วยสูตร K = 0.5mv2. ในสถานการณ์ที่สองข้างต้นรถแต่ละคันมีพลังงานจลน์ K โดยตรงก่อนการชน ในตอนท้ายของการปะทะรถยนต์ทั้งสองคันหยุดนิ่งและพลังงานจลน์ทั้งหมดของระบบคือ 0

เนื่องจากสิ่งเหล่านี้เป็นการชนแบบไม่ยืดหยุ่นดังนั้นพลังงานจลน์จึงไม่ได้รับการอนุรักษ์ แต่พลังงานทั้งหมดจะถูกสงวนไว้เสมอดังนั้นพลังงานจลน์ที่ "สูญเสีย" ในการปะทะจะต้องเปลี่ยนเป็นรูปแบบอื่นเช่นความร้อนเสียง ฯลฯ

ในตัวอย่างแรกที่มีรถยนต์เพียงคันเดียวกำลังเคลื่อนที่พลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างการชนคือ K ในตัวอย่างที่สองอย่างไรก็ตามสองคันกำลังเคลื่อนที่ดังนั้นพลังงานทั้งหมดที่ปล่อยออกมาในระหว่างการปะทะคือ 2K ดังนั้นความผิดพลาดในกรณี B จึงมีพลังมากกว่ากรณี A อย่างชัดเจน

จากรถยนต์ไปสู่อนุภาค

พิจารณาความแตกต่างที่สำคัญระหว่างสองสถานการณ์ ในระดับควอนตัมของอนุภาคพลังงานและสสารสามารถสลับระหว่างสถานะต่าง ๆ ได้ ฟิสิกส์ของการชนของรถจะไม่มีวันเกิดขึ้นไม่ว่าคึกคักปล่อยรถคันใหม่ออกมาอย่างสมบูรณ์

รถจะได้สัมผัสกับแรงเดียวกันในทั้งสองกรณี แรงเดียวที่กระทำกับรถคือการลดความเร็วอย่างกะทันหันจาก v เป็น 0 ในช่วงเวลาสั้น ๆ เนื่องจากการชนกับวัตถุอื่น

อย่างไรก็ตามเมื่อดูระบบทั้งหมดการชนในสถานการณ์ที่มีรถยนต์สองคันจะปล่อยพลังงานออกมาสองเท่าของการชนกับกำแพง มันดังกว่าร้อนกว่าและมีแนวโน้มมากขึ้นกว่าเดิม ในทุกโอกาสรถยนต์ได้หลอมรวมเข้าด้วยกันเป็นชิ้น ๆ ซึ่งบินไปในทิศทางที่สุ่ม

นี่คือเหตุผลที่นักฟิสิกส์เร่งอนุภาคใน collider เพื่อศึกษาฟิสิกส์พลังงานสูง การกระทำของการชนกันของสองคานของอนุภาคมีประโยชน์เพราะในการชนของอนุภาคคุณไม่สนใจเกี่ยวกับพลังของอนุภาค (ซึ่งคุณไม่เคยวัดจริง ๆ ); คุณใส่ใจพลังงานของอนุภาคแทน

เครื่องเร่งอนุภาคเร่งความเร็วอนุภาค แต่ทำได้ด้วยการ จำกัด ความเร็วจริงมากซึ่งกำหนดโดยความเร็วของกำแพงแสงจากทฤษฎีสัมพัทธภาพของ Einstein ในการบีบพลังงานพิเศษบางส่วนออกจากการชนแทนที่การชนลำแสงของอนุภาคความเร็วใกล้แสงกับวัตถุเคลื่อนที่มันจะดีกว่าที่จะชนกับลำแสงอนุภาคความเร็วใกล้แสงไปในทิศทางตรงกันข้าม

จากมุมมองของอนุภาคพวกเขาไม่ "แตกสลาย" มากนัก แต่เมื่ออนุภาคทั้งสองชนกันพลังงานจะถูกปล่อยออกมามากขึ้น ในการชนกันของอนุภาคพลังงานนี้สามารถอยู่ในรูปของอนุภาคอื่น ๆ และยิ่งคุณดึงพลังงานออกมาจากการชนมากเท่าไหร่อนุภาคก็ยิ่งแปลกมากเท่านั้น