Die Physik einer Autokollision

Während eines Autounfalls wird Energie vom Fahrzeug auf das übertragen, was es trifft, sei es ein anderes Fahrzeug oder ein stationäres Objekt. Diese Energieübertragung kann in Abhängigkeit von Variablen, die den Bewegungszustand verändern, Verletzungen verursachen und Autos und Eigentum beschädigen. Das getroffene Objekt absorbiert entweder den auf es gerichteten Energieschub oder überträgt diese Energie möglicherweise zurück auf das Fahrzeug, das es getroffen hat. Konzentration auf die Unterscheidung zwischen Macht und Energie kann helfen, die Physik zu erklären.

Autounfälle sind klare Beispiele dafür, wie Newtons Bewegungsgesetze Arbeit. Sein erstes Bewegungsgesetz, auch Trägheitsgesetz genannt, besagt, dass ein in Bewegung befindliches Objekt in Bewegung bleibt, sofern keine äußere Kraft auf es einwirkt. Wenn umgekehrt ein Objekt in Ruhe ist, bleibt es in Ruhe, bis eine unausgeglichene Kraft auf es einwirkt.

Stellen Sie sich eine Situation vor, in der Auto A mit einer statischen, unzerbrechlichen Wand kollidiert. Die Situation beginnt damit, dass Auto A mit einer Geschwindigkeit fährt (v

Das Auto übt diese Kraft in Richtung der Wand aus, aber die Wand, die statisch und unzerbrechlich ist, übt gemäß Newtons drittem Bewegungsgesetz eine gleiche Kraft auf das Auto zurück. Diese gleiche Kraft bewirkt, dass sich Autos bei Kollisionen akkordeonieren.

Es ist wichtig zu beachten, dass dies ein ist idealisiertes Modell. Im Fall von Auto A, wenn es gegen die Wand knallt und sofort zum Stillstand kommt, wäre das a vollkommen unelastische Kollision. Da die Wand überhaupt nicht bricht oder sich nicht bewegt, muss die volle Kraft des Autos in die Wand gehen. Entweder ist die Wand so massiv, dass sie beschleunigt oder sich unmerklich bewegt, oder sie bewegt sich überhaupt nicht Die Kraft der Kollision wirkt auf das Auto und den gesamten Planeten, wobei letzterer offensichtlich so massiv ist, dass die Auswirkungen sind unerheblich.

In einer Situation, in der Auto B mit Auto C kollidiert, haben wir unterschiedliche Kraftüberlegungen. Unter der Annahme, dass Auto B und Auto C vollständige Spiegel voneinander sind (auch dies ist eine sehr idealisierte Situation), würden sie genau gleich miteinander kollidieren Geschwindigkeit aber in entgegengesetzte Richtungen. Durch die Erhaltung der Dynamik wissen wir, dass beide zur Ruhe kommen müssen. Die Masse ist gleich, daher ist die Kraft, die von Auto B und Auto C erfahren wird, identisch und auch identisch mit der Kraft, die im Fall A im vorherigen Beispiel auf das Auto wirkt.

Dies erklärt die Kraft der Kollision, aber es gibt einen zweiten Teil der Frage: die Energie innerhalb der Kollision.

Kraft ist ein Vektor Menge während kinetische Energie ist ein skalare Mengeberechnet mit der Formel K = 0,5 mV². In der zweiten Situation oben hat jedes Auto direkt vor der Kollision kinetische Energie K. Am Ende der Kollision sind beide Autos in Ruhe und die gesamte kinetische Energie des Systems beträgt 0.

Da sind diese unelastische KollisionenDie kinetische Energie bleibt aber nicht erhalten Gesamtenergie bleibt immer erhalten, so dass die bei der Kollision "verlorene" kinetische Energie in eine andere Form wie Wärme, Schall usw. umgewandelt werden muss.

Im ersten Beispiel, in dem sich nur ein Auto bewegt, beträgt die bei der Kollision freigesetzte Energie K. Im zweiten Beispiel bewegen sich jedoch zwei Autos, sodass die während der Kollision freigesetzte Gesamtenergie 2 K beträgt. Der Absturz in Fall B ist also deutlich energischer als der Absturz in Fall A.

Betrachten Sie die Hauptunterschiede zwischen den beiden Situationen. Bei der Quantenebene von Teilchen können Energie und Materie grundsätzlich zwischen Zuständen wechseln. Die Physik einer Autokollision wird niemals, egal wie energisch, ein völlig neues Auto emittieren.

Das Auto würde in beiden Fällen genau die gleiche Kraft erfahren. Die einzige Kraft, die auf das Auto wirkt, ist die plötzliche Verzögerung von v auf 0 Geschwindigkeit in kurzer Zeit aufgrund der Kollision mit einem anderen Objekt.

Bei Betrachtung des Gesamtsystems setzt die Kollision in der Situation mit zwei Autos jedoch doppelt so viel Energie frei wie die Kollision mit einer Wand. Es ist lauter, heißer und wahrscheinlich unordentlicher. Höchstwahrscheinlich sind die Autos miteinander verschmolzen, Teile fliegen in zufällige Richtungen davon.

Aus diesem Grund beschleunigen Physiker Teilchen in einem Kollider, um die Hochenergiephysik zu studieren. Das Kollidieren zweier Partikelstrahlen ist nützlich, da Sie sich bei Partikelkollisionen nicht wirklich um die Kraft der Partikel kümmern (die Sie nie wirklich messen). Sie kümmern sich stattdessen um die Energie der Partikel.

Ein Teilchenbeschleuniger beschleunigt Teilchen, jedoch mit einer sehr realen Geschwindigkeitsbegrenzung, die durch die Geschwindigkeit der Lichtschranke von vorgegeben wird Einsteins Relativitätstheorie. Um etwas zusätzliche Energie aus den Kollisionen herauszupressen, anstatt einen Strahl von Partikeln mit nahezu Lichtgeschwindigkeit mit a zu kollidieren stationäres Objekt, es ist besser, es mit einem anderen Strahl von Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zu kollidieren, der in die entgegengesetzte Richtung geht Richtung.

Vom Standpunkt des Partikels aus "zerbrechen" sie nicht so sehr, aber wenn die beiden Partikel kollidieren, wird mehr Energie freigesetzt. Bei Kollisionen von Partikeln kann diese Energie die Form anderer Partikel annehmen. Je mehr Energie Sie aus der Kollision herausziehen, desto exotischer sind die Partikel.