Die Physik eines Autounfalls

Während eines Autounfalls wird Energie vom Fahrzeug auf alles übertragen, was es trifft, sei es ein anderes Fahrzeug oder ein stationäres Objekt. Diese Energieübertragung kann in Abhängigkeit von Variablen, die die Bewegungszustände verändern, Verletzungen verursachen und Autos und Eigentum beschädigen. Das Objekt, das getroffen wurde, absorbiert entweder die Energie, die darauf gestoßen wurde, oder überträgt diese Energie möglicherweise zurück auf das Fahrzeug, das es getroffen hat. Wenn Sie sich auf die Unterscheidung zwischen Kraft und Energie konzentrieren, können Sie die Physik erklären.

Force: Kollision mit einer Wand

Autounfälle sind eindeutige Beispiele für die Funktionsweise von Newtons Bewegungsgesetzen. Sein erstes Bewegungsgesetz, auch Trägheitsgesetz genannt, besagt, dass ein in Bewegung befindliches Objekt in Bewegung bleibt, es sei denn, eine äußere Kraft wirkt darauf ein. Umgekehrt bleibt ein Objekt in Ruhe, bis eine unausgeglichene Kraft auf es einwirkt. 

Stellen Sie sich eine Situation vor, in der Auto A mit einer statischen, unzerbrechlichen Wand kollidiert. Die Situation beginnt mit dem Auto A, das mit einer Geschwindigkeit fährt (v) Die Kraft dieser Situation wird durch Newtons zweites Bewegungsgesetz definiert, das die Kraftgleichung gleich Masse mal Beschleunigung verwendet. In diesem Fall ist die Beschleunigung (v - 0) / t, wobei t die Zeit ist, die das Auto A benötigt, um zum Stillstand zu kommen.

Das Auto übt diese Kraft in Richtung der Wand aus, aber die Wand, die statisch und unzerbrechlich ist, übt nach Newtons drittem Bewegungsgesetz eine gleiche Kraft auf das Auto aus. Diese gleiche Kraft führt dazu, dass Autos bei Kollisionen Akkordeon schlagen.

Es ist wichtig zu beachten, dass dies ein idealisiertes Modell ist. Im Fall von Auto A wäre dies eine völlig unelastische Kollision, wenn es gegen die Wand prallt und sofort zum Stillstand kommt. Da die Wand nicht bricht oder sich überhaupt nicht bewegt, muss die volle Kraft des Autos irgendwo in die Wand gelangen. Entweder ist die Wand so massiv, dass sie beschleunigt oder sich unmerklich bewegt, oder sie bewegt sich überhaupt nicht. In diesem Fall wirkt die Kraft der Kollision auf das Auto und den gesamten Planeten, wobei letzterer offensichtlich so massiv, dass die Auswirkungen vernachlässigbar sind.

Force: Kollision mit einem Auto

In einer Situation, in der Auto B mit Auto C kollidiert, haben wir unterschiedliche Kraftüberlegungen. Unter der Annahme, dass Auto B und Auto C vollständige Spiegel voneinander sind (dies ist wiederum eine sehr idealisierte Situation), würden sie mit genau der gleichen Geschwindigkeit aber in entgegengesetzten Richtungen miteinander kollidieren. Aus der Impulserhaltung wissen wir, dass beide zur Ruhe kommen müssen. Die Masse ist die gleiche, daher ist die Kraft, die das Auto B und das Auto C erfahren, identisch und auch identisch mit der Kraft, die auf das Auto im Fall A im vorherigen Beispiel wirkt.

Dies erklärt die Kraft der Kollision, aber es gibt einen zweiten Teil der Frage: die Energie innerhalb der Kollision.

Energie

Kraft ist eine Vektorgröße, während kinetische Energie eine skalare Größe ist, berechnet mit der Formel K = 0,5 mV². In der obigen zweiten Situation hat jedes Auto unmittelbar vor der Kollision kinetische Energie K. Am Ende der Kollision sind beide Autos in Ruhe und die gesamte kinetische Energie des Systems ist 0.

Da es sich um unelastische Kollisionen handelt, bleibt die kinetische Energie nicht erhalten, sondern die Gesamtenergie bleibt immer erhalten, sodass die bei der Kollision "verlorene" kinetische Energie in eine andere Form wie Wärme, Schall usw. Umgewandelt werden muss.

Im ersten Beispiel, in dem sich nur ein Auto bewegt, beträgt die bei der Kollision freiwerdende Energie K. Im zweiten Beispiel bewegen sich jedoch zwei Autos, sodass die bei der Kollision freiwerdende Gesamtenergie 2 K beträgt. Der Crash in Fall B ist also deutlich energischer als der in Fall A.

Vom Auto zum Teilchen

Betrachten Sie die Hauptunterschiede zwischen den beiden Situationen. Auf der Quantenebene von Teilchen können Energie und Materie grundsätzlich zwischen Zuständen wechseln. Die Physik einer Autokollision wird niemals, egal wie energiegeladen, ein völlig neues Auto ausstoßen.

Das Auto würde in beiden Fällen genau die gleiche Kraft erfahren. Die einzige Kraft, die auf das Fahrzeug einwirkt, ist die plötzliche Verzögerung von v auf 0 Geschwindigkeit in einem kurzen Zeitraum aufgrund der Kollision mit einem anderen Objekt.

Bei Betrachtung des Gesamtsystems setzt die Kollision mit zwei Autos jedoch doppelt so viel Energie frei wie die Kollision mit einer Wand. Es ist lauter, heißer und wahrscheinlich unordentlicher. Höchstwahrscheinlich sind die Autos ineinander verschmolzen, Teile fliegen in zufällige Richtungen davon.

Aus diesem Grund beschleunigen Physiker Teilchen in einem Collider, um die Hochenergiephysik zu studieren. Das Kollidieren zweier Teilchenstrahlen ist nützlich, da bei Teilchenkollisionen die Kraft der Teilchen (die Sie nie wirklich messen) keine Rolle spielt. Sie interessieren sich stattdessen für die Energie der Partikel.

Ein Teilchenbeschleuniger beschleunigt Teilchen, jedoch mit einer sehr realen Geschwindigkeitsbegrenzung, die durch die Geschwindigkeit der Lichtschranke gemäß Einsteins Relativitätstheorie vorgegeben ist. Um ein wenig mehr Energie aus den Kollisionen herauszuholen, anstatt einen Strahl lichtschneller Partikel mit einem stationären Objekt zu kollidieren, ist es besser, ihn mit einem anderen Strahl lichtschneller Partikel in die entgegengesetzte Richtung zu kollidieren.

Vom Standpunkt des Partikels aus gesehen "zerbrechen" sie nicht so sehr, aber wenn die beiden Partikel kollidieren, wird mehr Energie freigesetzt. Bei Kollisionen von Partikeln kann diese Energie die Form anderer Partikel annehmen. Je mehr Energie Sie aus der Kollision ziehen, desto exotischer sind die Partikel.