Столкновение

В физике столкновение - это любое событие, при котором два или более тела оказывают силы друг на друга за относительно короткое время. Хотя наиболее распространенное использование словесного столкновения относится к инцидентам, в которых два или более объектов сталкиваются с большой силой, научное использование этого термина ничего не подразумевает о величине силы. ^{[ 1 ]}

Типы столкновений

Отражение происходит, когда объект попадает на плоскостную поверхность. Если кинетическая энергия после удара такая же, как и раньше, это упругое столкновение. Если кинетическая энергия потеряна, это неэластическое столкновение. Диаграмма не показывает, было ли иллюстрированное столкновение упругим или неэластичным, потому что скорости не предоставляются. Больше всего можно сказать, что столкновение не было совершенно неэластичным, потому что в этом случае мяч придерживался бы стены.

Столкновение-это краткосрочное взаимодействие между двумя телами или более двумя телами, одновременно, вызывая изменение движения тел, вовлеченных из-за внутренних сил, действующих между ними во время этого. Столкновения включают силы (существует изменение скорости ). Величина разности скорости незадолго до удара называется скоростью закрытия . Все столкновения сохраняют импульс . Что различает различные типы столкновений, так это то, сохраняют ли они кинетическую энергию системы до и после столкновения. Столкновения из трех типов:

Совершенно неэластическое столкновение . Если большая часть или всю общую кинетическую энергию теряется ( рассеивается как тепло, звук и т. Д. или поглощается самими объектами), говорится, что столкновение считается неэластичным ; Такие столкновения включают объекты, приходящие на полную остановку. «Совершенно неэластичное» столкновение (также называемое «идеально пластиковым» столкновением) является ограничивающим случаем неэластического столкновения, при котором два тела объединяются после удара. Примером такого столкновения является автомобильная авария, поскольку автомобили рухнут внутрь при разбите, а не отскакивают друг от друга. Это по дизайну , для безопасности пассажиров и свидетелей, если произойдет авария - вместо этого рама автомобиля поглощает энергию аварии.
Неэластическое столкновение . Если большая часть кинетической энергии сохраняется (то есть объекты продолжают двигаться после этого), то столкновение считается упругим . Примером этого является бейсбольная бита, попавшая в бейсбол - кинетическая энергия летучей мыши переносится на мяч, значительно увеличивая скорость мяча. Звук летучей мыши, попавшей в мяч, представляет собой потерю энергии. Неэластическое столкновение иногда также называется пластиковым столкновением.
Эластичное столкновение Если вся общая кинетическая энергия сохраняется (т. Е. Никакой энергии не выделяется как звук, тепло и т. Д.), Говорят, что столкновение является совершенно упругим . Такая система является идеализацией и не может произойти в реальности из -за второго закона термодинамики .

Степень, в которой столкновение является упругим или неэластичным, определяется количественно по коэффициенту реституции , значение, которое обычно колеблется от нуля до одного. Совершенно эластичное столкновение имеет коэффициент реституции одного; Совершенно неэластическое столкновение имеет коэффициент реституции нуля. Линия удара - это линия, которая является коллинеарной для общей нормальной нормы поверхностей, которые являются наиболее близкими или в контакте во время удара. Это линия, вдоль которой действует внутренняя сила столкновения во время воздействия, и коэффициент реституции Ньютона определяется только вдоль этой линии.

Столкновения в идеальных газах приближаются к совершенно упругим столкновению, как и разбросанные взаимодействия субтомических частиц , которые отклоняются электромагнитной силой . Некоторые крупномасштабные взаимодействия, такие как гравитационные взаимодействия типа Slingshot, между спутниками и планетами, почти идеально эластичны.

Примеры

Бильярд

Столкновения играют важную роль в Cue Sports . Поскольку столкновения между бильярдными шариками почти упругие , а шарики катятся на поверхности, которая производит низкие трения , их поведение часто используется для иллюстрации законов движения Ньютона . После столкновения с нулевым фондом движущегося шарика со стационарной массой, угол между направлениями двух шаров составляет 90 градусов. Это важный факт, который учитывают профессиональные игроки бильярдных, ^{[ 2 ]} Хотя он предполагает, что мяч движется без какого -либо воздействия трения по столу, а не катится с трениями. Рассмотрим упругое столкновение в двух измерениях любых двух масс M ₁ и M ₂ , с соответствующими начальными скоростями u ₁ и u _2, где u ₂ = 0 , и конечные скорости V ₁ и V ₂ . Сохранение импульса дает M ₁ U ₁ = M ₁ V ₁ + M ₂ V ₂ . Сохранение энергии для упругого столкновения дает (1/2) M ₁ | U ₁ | ² = (1/2) м ₁ | V ₁ | ² + (1/2) м ₂ | V ₂ | ²Полем Теперь рассмотрим случай M ₁ = M ₂ : получаем U ₁ = V ₁ + V ₂ и | U ₁ | ² = | V ₁ | ² + | V ₂ | ²Полем Принимая точечный продукт каждой стороны первого уравнения с собой, | U ₁ | ² = u ₁ • u ₁ = | V ₁ | ² + | V ₂ | ² + 2 V ₁ • V ₂ . Сравнение этого с последним уравнением дает v ₁ • v ₂ = 0, поэтому они перпендикулярны, если V ₁ не является нулевым вектором (который возникает тогда и только тогда, когда столкновение в лоб).

Идеальное неэластическое столкновение

В совершенном неэластическом столкновении , то есть нулевой коэффициент реституции , сталкивающиеся частицы объединяются . Необходимо рассмотреть сохранение импульса:

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

где V - окончательная скорость, которая следовательно дается

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

Снижение общей кинетической энергии равно общей кинетической энергии до столкновения в центре рамки импульса относительно системы двух частиц, потому что в такой рамке кинетическая энергия после столкновения равна нулю. В этой кадре большая часть кинетической энергии до столкновения является частицы с меньшей массой. В другой кадре, в дополнение к снижению кинетической энергии, может быть перенос кинетической энергии от одной частицы к другой; Тот факт, что это зависит от кадра, показывает, насколько это относительно. С учетом времени у нас есть ситуация с двумя объектами, отталкиваемыми друг от друга, например, стреляя в снаряд или ракета, применяющая тягу (сравните вывод уравнения ракетного уравнения Циолковского ).

АВТОМОБИЛЬНОЕ ДОЛЖНОСТЬ

Столкновения ноги или лапы животного с базовым субстратом, как правило, называются силами реакции наземной реакции. Эти столкновения неэластичны, поскольку кинетическая энергия не сохраняется. Важной темой исследования в протезировании является количественная оценка сил, полученных во время столкновений с ног, связанными как с инвалидами, так и с невозмученной походкой. Это количественное определение, как правило, требует, чтобы субъекты проходили через силовую платформу (иногда называемую «силой»), а также детальный кинематический и динамичный (иногда называемый кинетический) анализ.

Влияние гиперсленности

Гиперсленность - это очень высокая скорость , приблизительно более 3000 метров в секунду (11 000 км/ч, 6700 миль в час, 10 000 футов/с или Маха 8,8). В частности, гиперсленность настолько высока, что прочность материалов при ударе очень мала по сравнению с инерционными напряжениями. ^{[ 3 ]} Таким образом, металлы и жидкости ведут себя одинаково под воздействием гиперсленности. Влияние под экстремальной гиперсленностью приводит к и цели испариванию удара . Для структурных металлов, как правило, считается более чем 2500 м/с (5600 миль в час, 9000 км/ч, 8 200 футов/с или маха 7 7,3). Метеоритные кратеры также являются примерами воздействия гиперсленности.

Смотрите также

Примечания

^ Шмидт, Пол В. (2019). «Столкновение (физика)» . Доступ к науке . doi : 10.1036/1097-8542.149000 .
^ Alciatore, David G. (январь 2006 г.). "TP 3.1 90 ° Правило" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала на 2022-10-09 . Получено 2008-03-08 .
^ Технологический институт ВВС (1991). Критические технологии для национальной обороны . AIAA. п. 287. ISBN 1-56347-009-8 .

Ссылки

Толман, RC (1938). Принципы статистической механики . Оксфорд: Clarendon Press. Переиздано (1979) Нью -Йорк: Дувер ISBN 0-486-63896-0 .

Внешние ссылки

Трехмерное столкновение - наклонное неэластическое столкновение между двумя однородными сферами.
Одномерное столкновение - вспышка одномерного столкновения.
Двухмерное столкновение - двухмерное апплет для вспышки столкновения.

[1] Шмидт, Пол В. (2019). «Столкновение (физика)» . Доступ к науке . doi : 10.1036/1097-8542.149000 .

[2] Alciatore, David G. (январь 2006 г.). "TP 3.1 90 ° Правило" (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала на 2022-10-09 . Получено 2008-03-08 .

[AIAA-3] Технологический институт ВВС (1991). Критические технологии для национальной обороны . AIAA. п. 287. ISBN 1-56347-009-8 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]