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 kracht en energie kan helpen de betrokken fysica te verklaren.

Force: botsing met een muur

Auto-ongelukken zijn duidelijke voorbeelden van hoe Newton's Laws of Motion werkt. 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) en, bij botsing met de muur, eindigend met een snelheid van 0. De kracht van deze situatie wordt bepaald door Newton's tweede bewegingswet, die de krachtvergelijking gebruikt gelijk aan massa maal versnelling. In dit geval is de versnelling (v - 0) / t, waarbij t de tijd is die auto A nodig heeft om tot stilstand te komen.

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 geïdealiseerd model is. In het geval van auto A, als deze tegen de muur botst en onmiddellijk tot stilstand komt, zou dat een perfect inelastische botsing zijn. 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 op de auto en de hele planeet inwerkt, waarvan de laatste uiteraard is, zo enorm dat de effecten te verwaarlozen zijn.

Force: botsing met een auto

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 met precies dezelfde snelheid maar in tegengestelde richtingen. 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 die op de auto inwerkt in geval A in het vorige voorbeeld.

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

Energie

Kracht is een vectorgrootheid, terwijl kinetische energie een scalaire hoeveelheid is, 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.

Aangezien dit inelastische botsingen zijn, wordt de kinetische energie niet geconserveerd, maar wordt de totale energie altijd behouden, zodat de kinetische energie die "verloren" gaat bij de botsing moet 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. 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.

Van auto's tot deeltjes

Overweeg de grote verschillen tussen de twee situaties. Op het kwantumniveau van deeltjes kunnen energie en materie in feite tussen toestanden 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 uit de relativiteitstheorie van Einstein. Om wat extra energie uit de botsingen te persen, is het beter in plaats van een straal van deeltjes met bijna-lichtsnelheid op een stationair object te laten botsen, het beter te botsen met een andere straal van deeltjes met bijna-lichtsnelheid die in tegengestelde richting gaan.

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.