Ilmu Fisika Pada Tabrakan Mobil
Selama kecelakaan mobil, energi ditransfer dari kendaraan ke apa pun yang menabraknya, baik itu kendaraan lain atau benda diam. Transfer energi ini, tergantung pada variabel yang mengubah keadaan gerak, dapat menyebabkan cedera dan merusak mobil dan properti. Objek yang terkena akan menyerap energi yang ditusukkan ke atasnya atau mungkin mentransfer energi itu kembali ke kendaraan yang menabraknya. Berfokus pada perbedaan antara kekuatan dan energi dapat membantu menjelaskan fisika yang terlibat.
Paksa: Bertabrakan dengan Dinding
Kecelakaan mobil adalah contoh yang jelas tentang bagaimana Hukum Gerak Newton bekerja. Hukum gerak pertamanya, juga disebut sebagai hukum inersia, menyatakan bahwa suatu objek yang bergerak akan tetap bergerak kecuali jika kekuatan eksternal menindakinya. Sebaliknya, jika suatu objek diam, itu akan tetap diam sampai kekuatan yang tidak seimbang bertindak atasnya.
Pertimbangkan situasi di mana mobil A bertabrakan dengan dinding statis yang tidak dapat dipecahkan. Situasi dimulai dengan mobil A yang melaju pada kecepatan (v) dan, setelah bertabrakan dengan dinding, berakhir dengan kecepatan 0. Gaya situasi ini ditentukan oleh hukum gerak kedua Newton, yang menggunakan persamaan gaya sama dengan massa. kali akselerasi. Dalam hal ini, akselerasi adalah (v - 0) / t, di mana t adalah waktu berapa pun yang dibutuhkan mobil A untuk berhenti.
Mobil mengerahkan kekuatan ini ke arah dinding, tetapi dinding, yang statis dan tidak bisa pecah, mengerahkan kekuatan yang sama kembali pada mobil, sesuai hukum gerak ketiga Newton. Kekuatan yang sama inilah yang menyebabkan mobil-mobil akordeon selama tabrakan.
Penting untuk dicatat bahwa ini adalah model yang ideal. Dalam kasus mobil A, jika membanting ke dinding dan berhenti segera, itu akan menjadi tabrakan yang sangat tidak elastis. Karena dinding tidak pecah atau bergerak sama sekali, kekuatan penuh mobil ke dinding harus pergi ke suatu tempat. Entah dinding itu begitu masif sehingga berakselerasi, atau bergerak dalam jumlah yang tak terlihat, atau tidak bergerak sama sekali, dalam hal ini kekuatan tabrakan bekerja pada mobil dan seluruh planet, yang terakhir jelas jelas, begitu besar sehingga efeknya dapat diabaikan.
Paksa: Bertabrakan dengan Mobil
Dalam situasi di mana mobil B bertabrakan dengan mobil C, kami memiliki pertimbangan kekuatan yang berbeda. Dengan asumsi bahwa mobil B dan mobil C adalah cermin lengkap satu sama lain (sekali lagi, ini adalah situasi yang sangat ideal), mereka akan bertabrakan satu sama lain dengan kecepatan yang persis sama tetapi dalam arah yang berlawanan. Dari kekekalan momentum, kita tahu bahwa keduanya harus beristirahat. Massa adalah sama, oleh karena itu, gaya yang dialami oleh mobil B dan mobil C adalah identik, dan juga identik dengan yang bekerja pada mobil dalam kasus A dalam contoh sebelumnya.
Ini menjelaskan kekuatan tumbukan, tetapi ada bagian kedua dari pertanyaan: energi dalam tumbukan.
Energi
Gaya adalah kuantitas vektor sedangkan energi kinetik adalah kuantitas skalar , dihitung dengan rumus K = 0,5mv 2 . Dalam situasi kedua di atas, setiap mobil memiliki energi kinetik K langsung sebelum tabrakan. Pada akhir tabrakan, kedua mobil dalam keadaan diam, dan total energi kinetik dari sistem adalah 0.
Karena ini adalah tabrakan inelastik , energi kinetik tidak dilestarikan, tetapi energi total selalu dilestarikan, sehingga energi kinetik "hilang" dalam tabrakan harus diubah menjadi beberapa bentuk lain, seperti panas, suara, dll.
Dalam contoh pertama di mana hanya satu mobil bergerak, energi yang dilepaskan saat tabrakan adalah K. Namun, dalam contoh kedua, dua mobil bergerak, sehingga total energi yang dilepaskan selama tabrakan adalah 2K. Jadi crash dalam kasus B jelas lebih energik daripada kasus crash.
Dari Mobil ke Partikel
Pertimbangkan perbedaan utama antara kedua situasi. Pada tingkat kuantum partikel, energi dan materi pada dasarnya dapat bertukar antar keadaan. Fisika tabrakan mobil tidak akan pernah, betapapun energinya, memancarkan mobil yang sama sekali baru.
Mobil akan mengalami kekuatan yang sama persis dalam kedua kasus. Satu-satunya kekuatan yang bekerja pada mobil adalah perlambatan tiba-tiba dari kecepatan v ke 0 dalam periode waktu yang singkat, karena tabrakan dengan objek lain.
Namun, ketika melihat sistem total, tabrakan dalam situasi dengan dua mobil melepaskan energi dua kali lebih banyak dari tabrakan dengan dinding. Itu lebih keras, lebih panas, dan kemungkinan berantakan. Dalam semua kemungkinan, mobil-mobil itu telah menyatu satu sama lain, potongan-potongan terbang dengan arah acak.
Inilah sebabnya mengapa fisikawan mempercepat partikel dalam sebuah collider untuk mempelajari fisika energi tinggi. Tindakan bertabrakan dua balok partikel berguna karena dalam tabrakan partikel Anda tidak terlalu peduli dengan kekuatan partikel (yang tidak pernah benar-benar Anda ukur); Anda justru peduli tentang energi partikel.
Akselerator partikel mempercepat partikel tetapi melakukannya dengan batasan kecepatan yang sangat nyata yang ditentukan oleh kecepatan penghalang cahaya dari teori relativitas Einstein . Untuk memeras energi ekstra dari tabrakan, alih-alih menabrak seberkas partikel berkecepatan dekat dengan objek yang diam, lebih baik bertabrakan dengan seberkas partikel berkecepatan dekat dekat berkecepatan sebaliknya.
Dari sudut pandang partikel, mereka tidak begitu "pecah lebih banyak," tetapi ketika dua partikel bertabrakan, lebih banyak energi dilepaskan. Dalam tabrakan partikel, energi ini dapat mengambil bentuk partikel lain, dan semakin banyak energi yang Anda tarik dari tabrakan, semakin eksotis partikel-partikel itu.