Fysiken i en bilkollision

Under en bilolycka överförs energi från fordonet till vad det än träffar, vare sig det är ett annat fordon eller ett stationärt föremål. Denna överföring av energi, beroende på variabler som förändrar rörelsetillstånd, kan orsaka skador och skada bilar och egendom. Objektet som slogs kommer antingen att absorbera energin som pressas på det eller eventuellt överföra den energin tillbaka till fordonet som slog den. Att fokusera på skillnaden mellan kraft och energi kan hjälpa till att förklara den fysik som är inblandad.

Force: Kolliderar med en vägg

Bilkrascher är tydliga exempel på hur Newtons Laws of Motion fungerar. Hans första rörelselag, även kallad tröghetslagen, hävdar att ett föremål i rörelse kommer att förbli i rörelse såvida inte en extern kraft agerar på den. Omvänt, om ett objekt är i vila, kommer det att förbli i vila tills en obalanserad kraft verkar på den. 

Tänk på en situation där bil A kolliderar med en statisk, okrossbar vägg. Situationen börjar med att bil A reser med en hastighet (v) och när de kolliderar med väggen och slutar med en hastighet på 0. Kraften i denna situation definieras av Newtons andra rörelselag, som använder kraftsekvationen lika med masstider acceleration. I detta fall är accelerationen (v - 0) / t, där t är oavsett tid det tar bil A att stoppa.

Bilen utövar denna kraft i riktning mot väggen, men väggen, som är statisk och okrossbar, utövar en lika kraft tillbaka på bilen, enligt Newtons tredje rörelserätt. Denna lika kraft är det som får bilar att dragas upp under kollisioner.

Det är viktigt att notera att detta är en idealiserad modell. När det gäller bil A, om det smälter in i väggen och kommer till ett omedelbart stopp, skulle det vara en perfekt oelastisk kollision. Eftersom väggen inte går sönder eller rör sig, måste bilens fulla kraft in i väggen gå någonstans. Antingen är väggen så massiv att den accelererar, eller flyttar en omöjlig mängd, eller så rör sig den inte alls, i vilket fall kraften i kollisionen verkar på bilen och hela planeten, vars senare uppenbarligen är, så massiva att effekterna är försumbara.

Force: Kolliderar med en bil

I en situation där bil B kolliderar med bil C har vi olika kraftöverväganden. Antagande att bil B och bil C är kompletta speglar av varandra (igen, detta är en mycket idealiserad situation), skulle de kollidera med varandra med exakt samma hastighet men i motsatta riktningar. Från bevarande av fart, vi vet att de båda måste komma till vila. Massan är densamma, därför är kraften som upplevs av bil B och bil C identisk och också identisk med den som verkar på bilen i fall A i föregående exempel.

Detta förklarar kraften i kollisionen, men det finns en andra del av frågan: energin i kollisionen.

Energi

Kraft är en vektorkvantitet medan kinetisk energi är en skalmängd, beräknad med formeln K = 0,5 mv². I den andra situationen ovan har varje bil kinetisk energi K direkt före kollisionen. I slutet av kollisionen står båda bilarna i vila, och den totala kinetiska energin i systemet är 0.

Eftersom dessa är inelastiska kollisioner bevaras inte den kinetiska energin, men den totala energin bevaras alltid, så den kinetiska energin "förlorad" i kollisionen måste omvandlas till någon annan form, såsom värme, ljud, etc..

I det första exemplet där endast en bil rör sig är energin som frigörs under kollisionen K. I det andra exemplet är emellertid två bilar som rör sig, så den totala energin som släpps ut under kollisionen är 2K. Så kraschen i fall B är helt klart mer energisk än fall A-kraschen.

Från bilar till partiklar

Tänk på de stora skillnaderna mellan de två situationerna. På kvantnivå för partiklar kan energi och materia i princip byta mellan tillstånd. Fysiken i en bilkollision kommer aldrig, oavsett hur energisk, släpper ut en helt ny bil.

Bilen skulle uppleva exakt samma kraft i båda fallen. Den enda kraften som verkar på bilen är den plötsliga retardationen från v till 0 hastighet på kort tid på grund av kollisionen med ett annat föremål.

Men när man tittar på det totala systemet släpper kollisionen i situationen med två bilar dubbelt så mycket energi som kollisionen med en vägg. Det är högre, hetare och troligen mer messig. Med all sannolikhet har bilarna smält in i varandra, bitar flyger av i slumpmässiga riktningar.

Det är därför fysiker accelererar partiklar i en kollider för att studera högenergifysik. Handlingen med att kollidera två strålar med partiklar är användbar eftersom du i partikelkollisioner inte bryr dig om partiklarnas kraft (som du aldrig riktigt mäter); du bryr dig istället om partiklarnas energi.

En partikelaccelerator påskyndar partiklar men gör det med en mycket verklig hastighetsbegränsning som dikteras av ljusbarriärens hastighet från Einsteins relativitetsteori. För att pressa lite extra energi ur kollisionerna, istället för att kollidera en stråle av partiklar nära ljushastighet med ett stationärt föremål, är det bättre att kollidera den med en annan stråle med nära ljushastighetspartiklar som går motsatt riktning.

Från partikelns synvinkel "spricker de inte så mycket", men när de två partiklarna kolliderar frigörs mer energi. Vid kollisioner av partiklar kan denna energi ta form av andra partiklar, och ju mer energi du drar ut ur kollisionen, desto mer exotiska är partiklarna.