汽车碰撞的物理学

在汽车碰撞过程中,能量从汽车转移到它撞击的任何物体上,无论是另一辆汽车还是静止物体。这种能量转移,取决于改变运动状态的变量,可能会造成伤害,损坏汽车和财产。被撞击的物体要么吸收其上的推力能量,要么可能将该能量转移回撞击它的车辆。关注力和能量之间的区别有助于解释所涉及的物理现象。...

在汽车碰撞过程中,能量从汽车转移到它撞击的任何物体上,无论是另一辆汽车还是静止物体。这种能量转移,取决于改变运动状态的变量,可能会造成伤害,损坏汽车和财产。被撞击的物体要么吸收其上的推力能量,要么可能将该能量转移回撞击它的车辆。关注力和能量之间的区别有助于解释所涉及的物理现象。

Crashed car

力:与墙壁碰撞

车祸是牛顿运动定律如何运作的明显例子。他的第一运动定律,也被称为惯性定律,断言运动中的物体将保持运动,除非外力作用于它。相反,如果一个物体处于静止状态,它将保持静止,直到不平衡的力作用在它身上。

考虑一种情况,其中汽车A与静态,牢不可破的墙壁碰撞。这种情况始于A车以(v)的速度行驶,与墙壁相撞后,以0的速度结束。这种情况下的力由牛顿第二运动定律定义,该定律使用力等于质量乘以加速度的方程。在这种情况下,加速度为(v-0)/t,其中t是汽车A停车所需的时间。

汽车向墙的方向施加这种力,但墙是静止的,不易破碎,根据牛顿第三运动定律,它向汽车施加的力是相等的。这种相等的力是导致汽车在碰撞时拉起手风琴的原因。

需要注意的是,这是一个理想化的模型。以A车为例,如果它撞到墙上并立即停止,那将是完全非弹性碰撞。因为墙根本不会断裂或移动,所以汽车撞到墙上的全部力量必须要到某个地方。要么墙的质量如此之大,以至于加速,要么移动了不可察觉的量,要么根本不移动,在这种情况下,碰撞力作用于汽车和整个星球,后者显然如此之大,以至于影响可以忽略不计。

武力:与汽车相撞

在B车和C车相撞的情况下,我们有不同的力考虑。假设汽车B和汽车C是彼此的完全镜像(同样,这是一种高度理想化的情况),它们会以完全相同的速度相互碰撞,但方向相反。根据动量守恒定律,我们知道它们都必须停止。质量是相同的,因此,车辆B和车辆C所受的力是相同的,也与前一示例中情况A中作用在车辆上的力相同。

这解释了碰撞的力量,但问题的第二部分是:碰撞中的能量。

能量

力是一个矢量,而动能是一个标量,用公式K=0.5mv2计算。在上述第二种情况下,每辆车在碰撞前都有动能K。在碰撞结束时,两辆车都处于静止状态,系统的总动能为0。

由于这些是非弹性碰撞,动能不守恒,但总能量始终守恒,因此碰撞中“损失”的动能必须转换为其他形式,如热、声等。

在第一个示例中,只有一辆车在移动,碰撞过程中释放的能量为K。但是,在第二个示例中,两辆车在移动,因此碰撞过程中释放的总能量为2K。因此,案例B中的碰撞显然比案例A中的碰撞能量更大。

从汽车到粒子

考虑这两种情况之间的主要差异。在粒子的量子层次上,能量和物质基本上可以在状态之间交换。汽车碰撞的物理原理永远不会,无论多么精力充沛,发出一辆全新的汽车。

在这两种情况下,汽车将受到完全相同的力。作用在汽车上的唯一力是由于与另一物体碰撞而在短时间内从v速度突然减速到0速度。

但是,当查看整个系统时,两辆车碰撞释放的能量是与墙壁碰撞释放的能量的两倍。声音更大,更热,而且可能更混乱。很有可能,这两辆车已经融合在一起,碎片向随机方向飞去。

这就是为什么物理学家在对撞机中加速粒子以研究高能物理。碰撞两束粒子的行为很有用,因为在粒子碰撞中,你并不真正关心粒子的力(你从来没有真正测量过);你关心的是粒子的能量。

粒子加速器加速粒子,但速度限制是由爱因斯坦相对论中的光障速度决定的。为了从碰撞中挤出一些额外的能量,与其让一束近光速粒子与静止物体碰撞,不如让它与另一束反向的近光速粒子碰撞。

从粒子的角度来看,它们不会“更破碎”,但当两个粒子碰撞时,会释放更多的能量。在粒子碰撞中,这种能量可以采取其他粒子的形式,从碰撞中提取的能量越多,粒子就越奇异。

  • 发表于 2021-09-28 06:10
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  • 分类:科学

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