La física de una colisión de automóviles

Durante un accidente automovilístico, la energía se transfiere del vehículo a lo que golpea, ya sea otro vehículo o un objeto estacionario. Esta transferencia de energía, dependiendo de las variables que alteran los estados de movimiento, puede causar lesiones y dañar automóviles y propiedades. El objeto que fue golpeado absorberá la energía empujada sobre él o posiblemente transferirá esa energía de regreso al vehículo que lo golpeó. Centrarse en la distinción entre fuerza y ​​energía puede ayudar a explicar la física involucrada.

Fuerza: chocando con un muro

Los accidentes automovilísticos son ejemplos claros de cómo funcionan las leyes de movimiento de Newton. Su primera ley del movimiento, también conocida como la ley de la inercia, afirma que un objeto en movimiento permanecerá en movimiento a menos que una fuerza externa actúe sobre él. Por el contrario, si un objeto está en reposo, permanecerá en reposo hasta que una fuerza desequilibrada actúe sobre él.. 

Considere una situación en la que el automóvil A choca con una pared estática e irrompible. La situación comienza con el automóvil A viajando a una velocidad (v) y, al chocar con la pared, termina con una velocidad de 0. La fuerza de esta situación está definida por la segunda ley de movimiento de Newton, que usa la ecuación de fuerza igual a masa por aceleración. En este caso, la aceleración es (v - 0) / t, donde t es el tiempo que le toma al auto A detenerse.

El automóvil ejerce esta fuerza en la dirección de la pared, pero la pared, que es estática e irrompible, ejerce una fuerza igual sobre el automóvil, según la tercera ley de movimiento de Newton. Esta fuerza igual es la que hace que los automóviles se pongan en acordeón durante las colisiones..

Es importante tener en cuenta que este es un modelo idealizado. En el caso del automóvil A, si se estrella contra la pared y se detiene de inmediato, sería una colisión perfectamente inelástica. Como la pared no se rompe ni se mueve en absoluto, toda la fuerza del automóvil contra la pared tiene que ir a algún lado. O la pared es tan masiva que se acelera, o se mueve una cantidad imperceptible, o no se mueve en absoluto, en cuyo caso la fuerza de la colisión actúa sobre el automóvil y el planeta entero, el último de los cuales es, obviamente, tan masivo que los efectos son insignificantes.

Fuerza: colisionar con un auto

En una situación en la que el automóvil B choca con el automóvil C, tenemos diferentes consideraciones de fuerza. Suponiendo que el automóvil B y el automóvil C son espejos completos entre sí (una vez más, esta es una situación altamente idealizada), colisionarían entre sí yendo exactamente a la misma velocidad pero en direcciones opuestas. Por la conservación del impulso, sabemos que ambos deben descansar. La masa es la misma, por lo tanto, la fuerza experimentada por el automóvil B y el automóvil C es idéntica, y también idéntica a la que actúa sobre el automóvil en el caso A en el ejemplo anterior..

Esto explica la fuerza de la colisión, pero hay una segunda parte de la pregunta: la energía dentro de la colisión..

Energía

La fuerza es una cantidad vectorial, mientras que la energía cinética es una cantidad escalar, calculada con la fórmula K = 0.5mv². En la segunda situación anterior, cada automóvil tiene energía cinética K directamente antes de la colisión. Al final de la colisión, ambos autos están en reposo y la energía cinética total del sistema es 0.

Como se trata de colisiones inelásticas, la energía cinética no se conserva, pero la energía total siempre se conserva, por lo que la energía cinética "perdida" en la colisión debe convertirse en alguna otra forma, como calor, sonido, etc..

En el primer ejemplo en el que solo se mueve un automóvil, la energía liberada durante la colisión es K. Sin embargo, en el segundo ejemplo, dos son automóviles en movimiento, por lo que la energía total liberada durante la colisión es de 2K. Entonces, el bloqueo en el caso B es claramente más enérgico que el bloqueo del caso A.

De automóviles a partículas

Considere las principales diferencias entre las dos situaciones. En el nivel cuántico de partículas, la energía y la materia pueden cambiar básicamente entre estados. La física de un choque automovilístico nunca, sin importar cuán enérgico sea, emitirá un automóvil completamente nuevo..

El automóvil experimentaría exactamente la misma fuerza en ambos casos. La única fuerza que actúa sobre el automóvil es la desaceleración repentina de velocidad v a 0 en un breve período de tiempo, debido a la colisión con otro objeto..

Sin embargo, cuando se ve el sistema total, la colisión en la situación con dos automóviles libera el doble de energía que la colisión con una pared. Es más fuerte, más caliente y probablemente más desordenado. Con toda probabilidad, los autos se han fusionado entre sí, las piezas salen volando en direcciones aleatorias..

Es por eso que los físicos aceleran las partículas en un colisionador para estudiar física de alta energía. El acto de colisionar dos haces de partículas es útil porque en las colisiones de partículas realmente no te importa la fuerza de las partículas (que nunca mides realmente); te importa la energía de las partículas.

Un acelerador de partículas acelera las partículas pero lo hace con una limitación de velocidad muy real dictada por la velocidad de la barrera de luz de la teoría de la relatividad de Einstein. Para exprimir un poco de energía adicional de las colisiones, en lugar de chocar un haz de partículas cercanas a la velocidad de la luz con un objeto estacionario, es mejor colisionarlo con otro haz de partículas cercanas a la velocidad de la luz en dirección opuesta.

Desde el punto de vista de la partícula, no se "rompen más", pero cuando las dos partículas chocan, se libera más energía. En colisiones de partículas, esta energía puede tomar la forma de otras partículas, y cuanta más energía extraiga de la colisión, más exóticas son las partículas..