La fisica di una collisione di automobili

Durante un incidente d'auto, l'energia viene trasferita dal veicolo a qualunque cosa colpisca, sia esso un altro veicolo o un oggetto fermo. Questo trasferimento di energia, a seconda delle variabili che alterano gli stati di movimento, può causare lesioni e danni a automobili e cose. L'oggetto che è stato colpito assorbirà l'energia di spinta su di esso o eventualmente trasferirà l'energia al veicolo che l'ha colpito. Concentrarsi sulla distinzione tra forza ed energia può aiutare a spiegare la fisica coinvolta.

Forza: scontrarsi con un muro

Gli incidenti stradali sono chiari esempi di come funzionano le leggi del movimento di Newton. La sua prima legge di movimento, detta anche legge di inerzia, afferma che un oggetto in movimento rimarrà in movimento a meno che una forza esterna non agisca su di esso. Al contrario, se un oggetto è a riposo, rimarrà a riposo fino a quando una forza sbilanciata agisce su di esso. 

Considera una situazione in cui l'auto A si scontra con un muro statico, infrangibile. La situazione inizia con l'auto A che viaggia a velocità (v) e, scontrandosi con il muro, terminando con una velocità di 0. La forza di questa situazione è definita dalla seconda legge del moto di Newton, che usa l'equazione della forza uguale a massa per accelerazione. In questo caso, l'accelerazione è (v - 0) / t, dove t è il tempo impiegato dall'auto A per fermarsi.

L'auto esercita questa forza nella direzione del muro, ma il muro, che è statico e indistruttibile, esercita una forza uguale sull'auto, secondo la terza legge del moto di Newton. Questa uguale forza è ciò che provoca la fisarmonica delle automobili durante le collisioni.

È importante notare che questo è un modello idealizzato. Nel caso dell'auto A, se sbatte contro il muro e si ferma immediatamente, sarebbe una collisione perfettamente anelastica. Dal momento che il muro non si rompe o non si muove affatto, tutta la forza della macchina nel muro deve andare da qualche parte. O il muro è così massiccio che accelera, o si muove di una quantità impercettibile, o non si muove affatto, nel qual caso la forza della collisione agisce sull'auto e sull'intero pianeta, l'ultimo dei quali è, ovviamente, così massiccio che gli effetti sono trascurabili.

Forza: scontrarsi con un'auto

In una situazione in cui l'auto B si scontra con l'auto C, abbiamo diverse considerazioni sulla forza. Supponendo che l'auto B e l'auto C siano specchi completi l'uno dell'altro (di nuovo, questa è una situazione altamente idealizzata), si scontrerebbero l'uno con l'altro andando esattamente alla stessa velocità ma in direzioni opposte. Dalla conservazione della quantità di moto, sappiamo che devono entrambe riposare. La massa è la stessa, quindi la forza sperimentata dall'auto B e dall'auto C è identica e identica a quella che agisce sull'auto nel caso A nell'esempio precedente.

Questo spiega la forza della collisione, ma c'è una seconda parte della domanda: l'energia all'interno della collisione.

Energia

La forza è una quantità vettoriale mentre l'energia cinetica è una quantità scalare, calcolata con la formula K = 0,5 mv². Nella seconda situazione sopra, ogni auto ha energia cinetica K direttamente prima della collisione. Alla fine della collisione, entrambe le auto sono a riposo e l'energia cinetica totale del sistema è 0.

Poiché si tratta di collisioni anelastiche, l'energia cinetica non viene conservata, ma l'energia totale viene sempre conservata, quindi l'energia cinetica "persa" nella collisione deve convertirsi in qualche altra forma, come calore, suono, ecc..

Nel primo esempio in cui solo una macchina si muove, l'energia rilasciata durante la collisione è K. Nel secondo esempio, tuttavia, due sono macchine in movimento, quindi l'energia totale rilasciata durante la collisione è 2K. Quindi l'incidente nel caso B è chiaramente più energico del caso A.

Dalle automobili alle particelle

Considera le principali differenze tra le due situazioni. A livello quantico di particelle, l'energia e la materia possono sostanzialmente passare da uno stato all'altro. La fisica della collisione di un'auto non emetterà mai, per quanto energica, un'auto completamente nuova.

L'auto sperimenterebbe esattamente la stessa forza in entrambi i casi. L'unica forza che agisce sull'auto è l'improvvisa decelerazione dalla velocità v a 0 in un breve periodo di tempo, a causa della collisione con un altro oggetto.

Tuttavia, quando si visualizza il sistema totale, la collisione nella situazione con due auto rilascia due volte più energia della collisione con un muro. È più rumoroso, più caldo e probabilmente più disordinato. Con ogni probabilità, le macchine si sono fuse l'una nell'altra, i pezzi volano via in direzioni casuali.

Questo è il motivo per cui i fisici accelerano le particelle in un collettore per studiare la fisica delle alte energie. L'atto di scontrare due fasci di particelle è utile perché nelle collisioni di particelle non ti interessa davvero la forza delle particelle (che non misurerai mai realmente); ti preoccupi invece dell'energia delle particelle.

Un acceleratore di particelle accelera le particelle, ma lo fa con un limite di velocità molto reale dettato dalla velocità della barriera della luce dalla teoria della relatività di Einstein. Per spremere un po 'di energia extra dalle collisioni, invece di far collidere un raggio di particelle a velocità prossima alla luce con un oggetto fermo, è meglio scontrarlo con un altro raggio di particelle a velocità prossima alla luce che va nella direzione opposta.

Dal punto di vista delle particelle, esse non "frantumano di più", ma quando le due particelle si scontrano, viene rilasciata più energia. Nelle collisioni di particelle, questa energia può assumere la forma di altre particelle e più energia si estrae dalla collisione, più esotiche sono le particelle.