De fysica van een auto-botsing

Tijdens een auto-ongeluk wordt energie overgedragen van het voertuig naar wat het ook raakt, of het nu een ander voertuig of een stilstaand object is. Deze overdracht van energie, afhankelijk van variabelen die de staat van beweging veranderen, kan letsel veroorzaken en auto's en eigendommen beschadigen. Het object dat werd geraakt, absorbeert de energie die erop wordt gestoten of brengt die energie mogelijk terug naar het voertuig dat erop sloeg. Focus op het onderscheid tussen dwingen en energie kan de fysica helpen verklaren.

Auto-ongelukken zijn duidelijke voorbeelden van hoe Newton's bewegingswetten werk. Zijn eerste bewegingswet, ook wel de wet van traagheid genoemd, beweert dat een bewegend object in beweging blijft tenzij een externe kracht erop inwerkt. Omgekeerd, als een object in rust is, blijft het in rust totdat een onevenwichtige kracht erop inwerkt.

Overweeg een situatie waarin auto A tegen een statische, onbreekbare muur botst. De situatie begint met auto A die met een snelheid reist (v

De auto oefent deze kracht uit in de richting van de muur, maar de muur, die statisch en onbreekbaar is, oefent een gelijke kracht uit op de auto, volgens de derde bewegingswet van Newton. Deze gelijke kracht zorgt ervoor dat auto's accordeon worden tijdens botsingen.

Het is belangrijk op te merken dat dit een is geïdealiseerd model. In het geval van auto A, als deze tegen de muur botst en onmiddellijk tot stilstand komt, zou dat een zijn perfect inelastische botsing. Omdat de muur helemaal niet breekt of beweegt, moet de volledige kracht van de auto in de muur ergens naartoe gaan. Of de muur is zo massief dat hij versnelt, of een onmerkbare hoeveelheid beweegt, of hij beweegt helemaal niet, in welk geval de kracht van de botsing werkt op de auto en de hele planeet, waarvan de laatste uiteraard zo enorm is dat de effecten zijn te verwaarlozen.

In een situatie waarin auto B tegen auto C botst, hebben we verschillende overwegingen met betrekking tot de kracht. Ervan uitgaande dat auto B en auto C complete spiegels van elkaar zijn (nogmaals, dit is een zeer geïdealiseerde situatie), zouden ze tegen elkaar botsen en precies hetzelfde snelheid maar in tegengestelde richting. Uit het behoud van momentum weten we dat ze allebei moeten rusten. De massa is hetzelfde, daarom is de kracht ervaren door auto B en auto C identiek, en ook identiek aan die welke op de auto in geval A in het vorige voorbeeld inwerkt.

Dit verklaart de kracht van de botsing, maar er is een tweede deel van de vraag: de energie binnen de botsing.

Force is een vector hoeveelheid terwijl kinetische energie is een scalaire kwantiteit, berekend met de formule K = 0,5 mv². In de tweede situatie hierboven heeft elke auto kinetische energie K direct voor de botsing. Aan het einde van de botsing zijn beide auto's in rust en is de totale kinetische energie van het systeem 0.

Omdat deze zijn inelastische botsingen, de kinetische energie is niet behouden, maar totale energie wordt altijd behouden, dus moet de kinetische energie die "verloren" gaat bij de botsing worden omgezet in een andere vorm, zoals warmte, geluid, enz.

In het eerste voorbeeld waarbij slechts één auto rijdt, is de energie die vrijkomt tijdens de botsing K. In het tweede voorbeeld zijn er echter twee auto's in beweging, dus de totale energie die vrijkomt tijdens de botsing is 2K. De crash in geval B is dus duidelijk energieker dan de crash in geval A.

Overweeg de grote verschillen tussen de twee situaties. Bij de kwantumniveau van deeltjes, energie en materie kunnen in principe tussen staten wisselen. De fysica van een auto-botsing zal nooit, hoe energiek ook, een volledig nieuwe auto uitstralen.

De auto zou in beide gevallen exact dezelfde kracht ervaren. De enige kracht die op de auto inwerkt, is de plotselinge vertraging van v naar 0 snelheid in een korte periode als gevolg van de botsing met een ander object.

Bij het bekijken van het totale systeem geeft de botsing in de situatie met twee auto's echter twee keer zoveel energie af als de botsing met een muur. Het is luider, heter en waarschijnlijk rommeliger. Naar alle waarschijnlijkheid zijn de auto's in elkaar gesmolten, stukken vliegen in willekeurige richtingen.

Daarom versnellen fysici deeltjes in een botser om fysica met hoge energie te bestuderen. Het botsen van twee deeltjesbundels is nuttig omdat je bij deeltjesbotsingen niet echt om de kracht van de deeltjes geeft (die je nooit echt meet); in plaats daarvan geef je om de energie van de deeltjes.

Een deeltjesversneller versnelt deeltjes maar doet dit met een zeer reële snelheidsbeperking die wordt bepaald door de snelheid van de lichtbarrière van Einsteins relativiteitstheorie. Om wat extra energie uit de botsingen te persen, in plaats van een straal van deeltjes met bijna lichtsnelheid met een te laten botsen stationair object, het is beter om het te laten botsen met een andere straal van bijna-licht-snelheid deeltjes die het tegenovergestelde doen richting.

Vanuit het standpunt van het deeltje "breken ze niet zozeer", maar wanneer de twee deeltjes botsen, komt er meer energie vrij. In botsingen van deeltjes kan deze energie de vorm aannemen van andere deeltjes, en hoe meer energie je uit de botsing haalt, hoe exotischer de deeltjes zijn.