Coliziune - Collision

În fizică , o coliziune este orice eveniment în care două sau mai multe corpuri își exercită forțe unul pe celălalt într-un timp relativ scurt. Deși cea mai obișnuită utilizare a cuvântului coliziune se referă la incidente în care două sau mai multe obiecte se ciocnesc cu o forță mare, utilizarea științifică a termenului nu implică nimic despre magnitudinea forței.

Câteva exemple de interacțiuni fizice pe care oamenii de știință le-ar considera coliziuni sunt următoarele:

• Când o insectă aterizează pe frunza unei plante, se spune că picioarele ei se ciocnesc cu frunza.
• Când o pisică trece peste un gazon, fiecare contact pe care labele sale îl fac cu solul este considerat o coliziune, precum și fiecare perie a blănii sale împotriva unui fir de iarbă.
• Când un boxer aruncă un pumn, se spune că pumnul lor se ciocnește cu corpul adversarului.
• Când un obiect astronomic fuzionează cu o gaură neagră , se consideră că se ciocnesc.

Unele utilizări colocviale ale cuvântului coliziune sunt următoarele:

• O coliziune de trafic implică cel puțin un automobil.
• O coliziune aeriană are loc între avioane.
• O coliziune a navei implică cel puțin două nave maritime în mișcare care se lovesc reciproc; termenul asociat, alizie , descrie când o navă în mișcare lovește un obiect staționar (adesea, dar nu întotdeauna, o altă navă).

În fizică, coliziunile pot fi clasificate după modificarea energiei cinetice totale a sistemului înainte și după coliziune:

• Dacă se pierde cea mai mare parte sau toată energia cinetică totală ( disipată sub formă de căldură, sunet etc. sau absorbită de obiectele în sine), se spune că coliziunea este inelastică ; astfel de coliziuni implică obiecte care se opresc. Un exemplu de astfel de coliziune este un accident de mașină, deoarece mașinile se prăbușesc în interior atunci când se prăbușesc, mai degrabă decât să se arunce unul de altul. Acest lucru este prin proiectare , pentru siguranța ocupanților și a persoanelor din apropiere, în cazul în care se produce un accident - cadrul mașinii absoarbe în schimb energia accidentului.
• Dacă cea mai mare parte a energiei cinetice este conservată (adică obiectele continuă să se miște după aceea), se spune că coliziunea este elastică . Un exemplu în acest sens este o bată de baseball care lovește un baseball - energia cinetică a liliecii este transferată la minge, crescând foarte mult viteza mingii. Sunetul liliacului care lovește mingea reprezintă pierderea de energie.
• Și dacă toată energia cinetică totală este conservată (adică nu se eliberează energie ca sunet, căldură etc.), se spune că coliziunea este perfect elastică . Un astfel de sistem este o idealizare și nu poate avea loc în realitate, datorită celei de- a doua legi a termodinamicii .

Fizică

Devierea se întâmplă atunci când un obiect lovește o suprafață plană. Dacă energia cinetică după impact este aceeași ca înainte de impact, aceasta este o coliziune elastică. Dacă energia cinetică se pierde, este o coliziune inelastică. Diagrama nu arată dacă coliziunea ilustrată a fost elastică sau inelastică, deoarece nu sunt furnizate viteze. Cel mai mult se poate spune că coliziunea nu a fost perfect inelastică, deoarece în acest caz mingea s-ar fi lipit de perete.

Coliziunea este o interacțiune de scurtă durată între două corpuri sau mai mult de două corpuri care determină simultan schimbarea mișcării corpurilor implicate din cauza forțelor interne acționate între ele în timpul acestui lucru. Coliziunile implică forțe (există o schimbare a vitezei ). Mărimea diferenței de viteză chiar înainte de impact se numește viteza de închidere . Toate coliziunile conservă impulsul . Ceea ce distinge diferitele tipuri de coliziuni este dacă acestea conservă și energia cinetică . Linia de impact este linia care este coliniară cu normalul comun al suprafețelor care sunt cele mai apropiate sau în contact în timpul impactului. Aceasta este linia de-a lungul căreia acționează forța internă de coliziune în timpul impactului, iar coeficientul de restituire al lui Newton este definit doar de-a lungul acestei linii. Coliziunile sunt de trei tipuri:

1. coliziune perfect elastică
2. coliziune inelastică
3. coliziune perfect inelastică.

Mai exact, ciocnirile pot fi fie elastice , adică conservă atât impulsul, cât și energia cinetică, fie inelastice , adică conservă impulsul, dar nu și energia cinetică.

O coliziune inelastică este uneori numită și coliziune plastică. O coliziune „perfect inelastică” (numită și coliziune „perfect plastică”) este un caz limitativ de coliziune inelastică în care cele două corpuri se unesc după impact.

Gradul în care o coliziune este elastică sau inelastică este cuantificat prin coeficientul de restituire , valoare care variază în general între zero și unu. O coliziune perfect elastică are un coeficient de restituire a unuia; o coliziune perfect inelastică are un coeficient de restituire de zero.

Tipuri de coliziuni

Există două tipuri de coliziuni între două corpuri - 1) Coliziuni frontale sau coliziuni unidimensionale - unde viteza fiecărui corp chiar înainte de impact este de-a lungul liniei de impact și 2) Coliziuni non-frontale, coliziuni oblice sau coliziuni bidimensionale - unde viteza fiecărui corp chiar înainte de impact nu este de-a lungul liniei de impact.

Conform coeficientului de restituire, există două cazuri speciale de orice coliziune, așa cum este scris mai jos:

1. O coliziune perfect elastică este definită ca fiind una în care nu există pierderi de energie cinetică în coliziune. În realitate, orice coliziune macroscopică între obiecte va converti o anumită energie cinetică în energie internă și alte forme de energie, astfel încât nici un impact pe scară largă nu este perfect elastic. Cu toate acestea, unele probleme sunt suficient de apropiate de perfect elastice încât pot fi aproximate ca atare. În acest caz, coeficientul de restituire este egal cu unul.
2. O coliziune inelastică este aceea în care o parte din energia cinetică este schimbată cu o altă formă de energie în coliziune. Momentul este conservat în coliziuni inelastice (așa cum este și pentru coliziuni elastice), dar nu se poate urmări energia cinetică prin coliziune, deoarece o parte din aceasta este convertită în alte forme de energie. În acest caz, coeficientul de restituire nu este egal cu unul.

În orice tip de coliziune există o fază în care pentru un moment corpurile care se ciocnesc au aceeași viteză de-a lungul liniei de impact. Apoi energia cinetică a corpurilor se reduce la minim în această fază și poate fi numită o fază de deformare maximă pentru care momentan coeficientul de restituire devine unul.

Coliziunile din gazele ideale se apropie de coliziuni perfect elastice, la fel și interacțiunile de împrăștiere a particulelor sub-atomice care sunt deviate de forța electromagnetică . Unele interacțiuni la scară largă, cum ar fi interacțiunile gravitaționale de tip slingshot, între sateliți și planete, sunt aproape perfect elastice.

Coliziunile dintre sferele dure pot fi aproape elastice, deci este util să se calculeze cazul limitativ al unei coliziuni elastice. Presupunerea conservării impulsului, precum și conservarea energiei cinetice face posibil calculul vitezei finale în coliziuni cu doi corpuri.

Allision

În dreptul maritim , este uneori de dorit să se facă distincția între situația unei nave care lovește un obiect în mișcare și cea a lovirii unui obiect staționar. Cuvântul „aliziune” este apoi folosit pentru a însemna lovirea unui obiect staționar, în timp ce „coliziune” este folosit pentru a însemna lovirea unui obiect în mișcare. Astfel, atunci când două nave aleargă unul împotriva celuilalt, instanțele folosesc în mod obișnuit termenul de coliziune, în timp ce atunci când o navă aleargă împotriva alteia, ele folosesc de obicei termenul de alizie. Obiectul fix ar putea fi, de asemenea, un pod sau un doc . Deși nu există o mare diferență între cei doi termeni și adesea aceștia sunt chiar folosiți interschimbabil, determinarea diferenței ajută la clarificarea circumstanțelor de urgență și la adaptarea în consecință. În cazul Vane Line Bunkering, Inc. v. Natalie DM / V, s-a stabilit că exista prezumția că nava aflată în mișcare este în culpă, afirmând că „ prezumția derivă din observația de bun simț că navele în mișcare nu au de obicei ciocniți-vă cu obiecte staționare, cu excepția cazului în care nava [în mișcare] este manipulată greșit într-un fel. ”Aceasta este denumită și Regula Oregonului.

Abordări analitice vs.numerice pentru rezolvarea coliziunilor

Relativ puține probleme care implică coliziuni pot fi rezolvate analitic; restul necesită metode numerice . O problemă importantă în simularea coliziunilor este determinarea faptului dacă două obiecte s-au ciocnit de fapt. Această problemă se numește detectarea coliziunilor .

Exemple de coliziuni care pot fi rezolvate analitic

Biliard

Coliziunile joacă un rol important în sporturile de tacâm . Deoarece coliziunile dintre bilele de biliard sunt aproape elastice, iar bilele se rostogolesc pe o suprafață care produce frecare redusă , comportamentul lor este adesea folosit pentru a ilustra legile de mișcare ale lui Newton . După o coliziune zero-frecare a unei bile în mișcare cu una staționară de masă egală, unghiul dintre direcțiile celor două bile este de 90 de grade. Acesta este un fapt important pe care îl iau în calcul jucătorii profesioniști de biliard, deși presupune că mingea se mișcă fără niciun impact de frecare peste masă, mai degrabă decât să se rostogolească cu frecare. Luați în considerare o coliziune elastică în două dimensiuni ale oricăror două mase m ₁ și m ₂ , cu viteze inițiale respective u ₁ și u ₂ unde u ₂ = 0 și viteze finale V ₁ și V ₂ . Conservarea impulsului dă m ₁ u ₁ = m ₁ V ₁ + m ₂ V ₂ . Conservarea energiei pentru o coliziune elastică dă (1/2) m ₁ | u ₁ | ² = (1/2) m ₁ | V ₁ | ² + (1/2) m ₂ | V ₂ | ² . Acum considerați cazul m ₁ = m ₂ : obținem u ₁ = V ₁ + V ₂ și | u ₁ | ² = | V ₁ | ² + | V ₂ | ² . Luând cu sine produsul punct al fiecărei părți a ecuației anterioare, | u ₁ | ² = u ₁ • u ₁ = | V ₁ | ² + | V ₂ | ² + 2 V ₁ • V ₂ . Comparând acest lucru cu ultima ecuație se obține V ₁ • V ₂ = 0, deci sunt perpendiculare, cu excepția cazului în care V ₁ este vectorul zero (care apare dacă și numai dacă coliziunea este frontală).

Coliziune inelastică perfectă

Într-o coliziune inelastică perfectă, adică un coeficient zero de restituire , particulele care se ciocnesc se unesc . Este necesar să se ia în considerare conservarea impulsului:

${\ displaystyle m_ {a} \ mathbf {u} _ {a} + m_ {b} \ mathbf {u} _ {b} = \ left (m_ {a} + m_ {b} \ right) \ mathbf {v } \,}$

unde v este viteza finală, care este, prin urmare, dată de

${\ displaystyle \ mathbf {v} = {\ frac {m_ {a} \ mathbf {u} _ {a} + m_ {b} \ mathbf {u} _ {b}} {m_ {a} + m_ {b }}}}$

Reducerea energiei cinetice totale este egală cu energia cinetică totală înainte de coliziune într-un cadru din centrul impulsului față de sistemul a două particule, deoarece într-un astfel de cadru energia cinetică după coliziune este zero. În acest cadru, cea mai mare parte a energiei cinetice înainte de coliziune este cea a particulei cu masa mai mică. Într-un alt cadru, pe lângă reducerea energiei cinetice poate exista un transfer de energie cinetică de la o particulă la alta; faptul că acest lucru depinde de cadru arată cât de relativă este aceasta. Cu timpul inversat, avem situația a două obiecte îndepărtate unul de celălalt, de exemplu, împușcarea unui proiectil sau a unei rachete care aplică forța (comparați derivarea ecuației rachetei Tsiolkovsky ).

Exemple de coliziuni analizate numeric

Locomoția animalelor

Coliziunile piciorului sau a labei unui animal cu substratul subiacent sunt în general denumite forțe de reacție la sol. Aceste coliziuni sunt inelastice, deoarece energia cinetică nu este conservată. Un subiect important de cercetare în protetică este cuantificarea forțelor generate în timpul coliziunilor picior-sol asociate atât mersului cu handicap, cât și cu cel fără handicap. Această cuantificare necesită în mod obișnuit subiecții să meargă pe o platformă de forță (uneori numită „placă de forță”), precum și o analiză cinematică și dinamică detaliată (uneori denumită cinetică).

Coliziunile utilizate ca instrument experimental

Coliziunile pot fi folosite ca tehnică experimentală pentru a studia proprietățile materiale ale obiectelor și ale altor fenomene fizice.

Explorarea spațiului

Un obiect poate fi făcut deliberat să aterizeze pe un alt corp ceresc, să facă măsurători și să le trimită pe Pământ înainte de a fi distrus sau pentru a permite instrumentelor din alte părți să observe efectul. Vezi de exemplu:

• În timpul Apollo 13 , Apollo 14 , Apollo 15 , Apollo 16 și Apollo 17 , S-IVB (a treia etapă a rachetei) a fost prăbușit în Lună pentru a efectua măsurători seismice utilizate pentru caracterizarea miezului lunar.
• Impact profund
• SMART-1 - satelit al Agenției Spațiale Europene
• Sondă de impact lunar - sondă ISRO și LCROSS cu stadiul superior centaur uzat - sonda NASA
• Test dublu redirecționare asteroizi pentru apărare planetară (planificat)

Descrierea matematică a coliziunilor moleculare

Fie momenta liniară, unghiulară și internă a unei molecule să fie dată de setul de variabile r { p _i }. Starea unei molecule poate fi apoi descrisă prin domeniul δw _i = δ p ₁ δ p ₂ δ p ₃ ... δ p _r  . Există multe astfel de intervale care corespund diferitelor stări; o stare specifică poate fi notată prin indexul i . Două molecule supuse unei coliziuni pot fi astfel notate cu ( i , j ) (O astfel de pereche ordonată este uneori cunoscută sub numele de constelație .) Este convenabil să presupunem că două molecule exercită un efect neglijabil unul pe celălalt, cu excepția cazului în care centrul lor de greutate se apropie în o distanță critică b . Prin urmare, o coliziune începe atunci când centrele de greutate respective ajung la această distanță critică și se finalizează atunci când ajung din nou la această distanță critică la distanță. Sub acest model, o coliziune este complet descrisă de matrice , care se referă la constelația ( i , j ) înainte de coliziune și la constelația (în general diferită) ( k , l ) după coliziune. Această notație este convenabilă pentru a demonstra teorema H a mecanicii statistice a lui Boltzmann . ${\ displaystyle {\ begin {pmatrix} i & j \\ k & l \ end {pmatrix}}}$

Atacați printr-o coliziune deliberată

Tipurile de atac prin intermediul unei coliziuni deliberate includ:

• lovitură cu corpul: lovitură neînarmată , lovitură , lovitură
• lovind cu o armă, cum ar fi o sabie , un baston sau un topor
• împingere cu un obiect sau vehicul, de exemplu:
  • Ram-raiding , practica de a conduce o mașină într-o clădire pentru a intra
  • un berbec , armă medievală folosită pentru spargerea ușilor mari, de asemenea, o versiune modernă este folosită de forțele de poliție în timpul raidurilor

O coliziune atacantă cu un obiect îndepărtat poate fi realizată prin aruncarea sau lansarea unui proiectil .

Vezi si

Note

Referințe

• Tolman, RC (1938). Principiile mecanicii statistice . Oxford: Clarendon Press.Reeditat (1979) New York: Dover ISBN  0-486-63896-0 .

linkuri externe

• Coliziune tridimensională - Coliziune inelastică oblică între două sfere omogene.
• Coliziune unidimensională - Applet flash cu o coliziune dimensională.
• Coliziune bidimensională - Applet bliț dimensional cu coliziune.