自動車衝突の物理学

衝突にはエネルギーと力が関係している

リー・ヘイウッド/Flickr/CC BY-SA 2.0

自動車事故の際、エネルギーは車両から、別の車両や静止した物体など、衝突したものすべてに伝達されます。このエネルギーの伝達は、運動状態を変化させる変数に応じて、怪我を引き起こしたり、車や物を損傷したりする可能性があります。衝突された物体は、その物体に押し付けられたエネルギーを吸収するか、衝突した車両にそのエネルギーを戻す可能性があります。との違いに注目 力 と エネルギー 関連する物理学を説明するのに役立ちます。

力: 壁に衝突する

自動車事故はその明確な例です。 ニュートンの運動の法則 仕事。彼の運動の第一法則は、慣性の法則とも呼ばれ、外力が作用しない限り、運動中の物体は運動を続けると主張しています。逆に、物体が静止している場合、不均衡な力が作用するまで静止したままになります。

車 A が静的で壊れない壁に衝突する状況を考えてみましょう。この状況は、速度 (v) で移動する車 A から始まります。 ) この状況の力は、力の方程式を使用するニュートンの運動の第 2 法則によって定義されます。この場合、加速度は (v - 0)/t で、t は車 A が停止するまでの時間です。

車はこの力を壁の方向に加えますが、ニュートンの運動の第 3 法則に従って、静的で壊れない壁は同じ力を車に戻します。この均等な力が、衝突時に車をアコーディオン状態にします。

これは 理想化されたモデル . A車の場合、壁に激突して即停止すると、 完全非弾性衝突 .壁は壊れたり動かなかったりするので、車が壁にぶつかる力はどこかに行かなければなりません。壁が非常に大きいために加速するか、感知できない程度に移動するか、またはまったく移動しないかのいずれかです。この場合、衝突の力が車と地球全体に作用します。後者は明らかに、影響が無視できるほど大規模です。

力: 車との衝突

車 B が車 C と衝突する状況では、さまざまな力を考慮する必要があります。車 B と車 C がお互いの完全な鏡であると仮定すると (これも非常に理想的な状況です)、正確に同じ速度で衝突します。 速度 しかし反対方向に。運動量保存則から、両方とも静止しなければならないことがわかります。質量は同じなので、車 B と車 C が受ける力は同じで、前の例のケース A で車に作用する力も同じです。

これは衝突の力を説明しますが、問題の 2 番目の部分があります: 衝突内のエネルギーです。

エネルギー

フォースは ベクター 数量 運動エネルギー です スカラー量 、式 K = 0.5mv で計算².上記の 2 番目の状況では、各車は衝突の直前に運動エネルギー K を持っています。衝突の終わりに、両方の車は静止しており、システムの総運動エネルギーは 0 です。

これらは 非弾性衝突 、運動エネルギーは保存されませんが、 全エネルギー は常に保存されるため、衝突で「失われた」運動エネルギーは、熱や音などの他の形に変換する必要があります。

1 台の車だけが移動している最初の例では、衝突中に放出されるエネルギーは K です。ただし、2 番目の例では、2 台の車が移動しているため、衝突中に放出される総エネルギーは 2K です。したがって、ケース B のクラッシュは、ケース A のクラッシュよりも明らかにエネルギッシュです。

車から粒子まで

2 つの状況の主な違いを考えてみましょう。で 量子レベル 粒子、エネルギー、物質は基本的に状態間で交換できます。車の衝突の物理学は、どんなにエネルギッシュであっても、完全に新しい車を放出することはありません。

どちらの場合も、車はまったく同じ力を受けます。車に作用する唯一の力は、別の物体との衝突による v から 0 の速度への短時間の急激な減速です。

しかし、システム全体で見ると、2 台の車が衝突した場合は、壁に衝突した場合の 2 倍のエネルギーが放出されます。それはより騒々しく、より熱く、おそらくより乱雑です。おそらく、車同士が融合し、破片がランダムな方向に飛び散っています。

これが、物理学者がコライダーで粒子を加速して高エネルギー物理学を研究する理由です。粒子の 2 つのビームを衝突させるという動作は便利です。粒子の衝突では、粒子の力を気にする必要がないからです (実際に測定することはありません)。代わりに、粒子のエネルギーを気にします。

粒子加速器は粒子の速度を上げますが、それには光バリアの速度によって決定される非常に現実的な速度制限があります。 アインシュタインの相対性理論 .衝突から余分なエネルギーを絞り出すには、光速に近い粒子のビームを静止した物体と衝突させるのではなく、反対方向に進む光速に近い粒子の別のビームと衝突させる方が良い.

粒子の観点からは、「さらに粉砕」することはあまりありませんが、2 つの粒子が衝突すると、より多くのエネルギーが放出されます。粒子の衝突では、このエネルギーは他の粒子の形をとることができ、衝突から引き出せるエネルギーが多いほど、粒子はよりエキゾチックになります。