أنواع التصادمات

التصادم هو حدث يتم فيه نقل الزخم أو الطاقة الحركية منجسم إلى آخر، ويتمثل الزخم (p) في حاصل ضرب الكتلة في السرعة
(p = mv) ، الشاحنة الكبيرة التي تحشد 10000 كجم ، وتتحرك بسرعة 2 متر / ثانية ، لها نفس الزخم ، مثل السيارة المدمجة 1000 كجم ، وتتحرك بسرعة 20 مترًا / ثانية ، فكلاهما لديه ص = 20000 كجم م / ثانية.

الكمية الأخرى التي يمكن نقلها في التصادم هي الطاقة الحركية، وتعرف الطاقة الحركية على أنها الطاقة المتحركة ويمكن تمثيلها بالمعادلة K = (1/2) m v^2، والعلاقة بين الطاقة الحركية والكتلة خطية، ويعني ذلك أنه كلما زادت كتلة السيارة زادت الطاقة الحركية بشكل مضاعف، وكذلك تتناسب الطاقة الحركية مع السرعة والتسارع، وبالتالي كلما زادت السرعة زادت الطاقة الحركية بشكل كبير.

أنواع التصادمات بالفيزياء

وهناك نوعان عامان من التصادمات في الفيزياء هما :

• التصادم المرن.

يتم الحفاظ على الزخم الكلي لكل من الجسمين قبل وبعد الاصطدام ، ومع ذلك، لا يتم الحفاظ على الطاقة الحركية بالكامل، وتتحول بعض الطاقة الحركية إلى صوت وحرارة وتشوه للأجسام.

وتصادم السيارة عالي السرعة ، هو تصادم غير مرن ،  في المثال أعلاه ، إذا قمت بحساب زخم السيارات قبل الاصطدام ، وقمت بجمعها معًا ، فسيكون ذلك مساوياً للزخم بعد التصادم ، عندما تكون السيارتان عالقتين ، ومع ذلك  إذا حسبت الطاقة الحركية ، قبل وبعد الاصطدام ، فستجد أن بعضها تم تحويله إلى أشكال أخرى ، من الطاقة.

يحدث الاصطدام المرن عندما يرتد الجسمان عند اصطدامهما، والكرتان المطاطيان هما مثال جيد على ذلك .

التصادم المرن

في حالة التصادم المرن، يتم الحفاظ على الزخم والطاقة الحركية، ولا يتم فقد أي طاقة تقريباً بسبب الحرارة أو الصوت أو التشوه. حيث يتم تشويه الكرة المطاطية الأولى، ولكن بعد ذلك تعود بسرعة إلى شكلها السابق وتنقل كل الطاقة الحركية تقريباً إلى الكرة الثانية.

كما يعمل مصد السيارة باستخدام هذا المبدأ لمنع الضرر ، في اصطدام منخفض السرعة ، تكون الطاقة الحركية صغيرة ، بما يكفي بحيث يمكن للمصد ، أن يتشوه ثم يرتد مرة أخرى ، وينقل كل الطاقة مباشرة إلى الحركة ، ولا يتم تحويل أي طاقة تقريبًا إلى حرارة ، أو ضوضاء أو تلف في جسم السيارة ، كما يحدث في التصادم غير المرن.

ومع ذلك، غالبا ما تصنع حواجز السيارات للتحطم، فإذا كانت السرعة عالية بما فيه الكفاية ولا تستغل فوائد التصادم المرن، فالمنطق يقول إنه إذا كنت ستصطدم بشيء بسرعة عالية، فمن الأفضل أن تسمح للطاقة الحركية بتفتيت الحاجز في تصادم غير مرن بدلا من السماح للحاجز بالاهتزاز عندما ترتد سيارتك في تصادم مرن. وصنع الحواجز بهذه الطريقة يفيد شركات السيارات؛ فهم يبيعونك حاجزا جديدا ولا يمكنك مقاضاتهم بسبب الاصطدام.

فيزياء اصطدام السيارات

أثناء تحطم السيارة، يتم تحويل الطاقة من السيارة إلى أي شيء يتعرض للضرب، سواء كانت سيارة أخرى أو جسما ثابتا. يمكن أن يؤدي هذا التحويل لإحداث إصابات وأضرار للسيارات والممتلكات المتعرضة، ويعتمد نقل الطاقة على المتغيرات التي تؤثر على الحركة. يمكن أن تتسبب القوة الناجمة عن الاصطدام في امتصاصها من الجسم المصاب، أو ربما يتم نقل تلك الطاقة مرة أخرى إلى السيارة التي صدمتها. تساعد التركيز على التمييز بين القوة والطاقة في تفسير الظواهر الفيزيائية ذات الصلة.

القوة : الاصطدام بجدار

حوادث السيارات هي أمثلة واضحة على كيفية عمل قوانين نيوتن للحركة ، قانونه الأول للحركة ، المشار إليه أيضًا باسم قانون القصور الذاتي ، يؤكد أن الجسم المتحرك ، سيبقى في الحركة ما لم تعمل قوة خارجية عليه ، على العكس إذا كان الجسم في حالة استراحة ، فإنه سيبقى في حالة راحة ، حتى تعمل قوة غير متوازنة عليه.

عند التفكير في حالة تصطدم فيها السيارة A بجدار ثابت غير قابل للكسر، تبدأ السيارة A بالحركة بسرعة (v)، وعندما تصطدم بالجدار، تتوقف بسرعة مختلفة. يتم تعريف قوة هذه الحالة باستخدام قانون نيوتن الثاني للحركة، والذي يستخدم معادلة القوة = التسارع × الكتلة. في هذه الحالة، التسارع يكون (v – 0) / t، حيث t هو الوقت الذي يستغرقه السيارة A للتوقف.

تمارس السيارة قوة اتجاه الجدار، ولكن الجدار الثابت والغير قابل للكسر يمارس قوة متساوية على السيارة، وهذه القوة المتساوية، وفقًا لقانون نيوتن الثالث للحركة، هي التي تجعل الأكورديون يرتفع خلال التصادم.

يجب ملاحظة أن هذا النموذج مثالي، ففي حالة السيارة A، إذا اصطدمت بالجدار وتوقفت على الفور، فسيكون ذلك تصادمًا غير مرن تمامًا، ونظرًا لأن الجدار لا ينحني أو يتحرك على الإطلاق، فإن القوة الكاملة للسيارة ستذهب إلى الحائط.

يمكن أن يكون الجدار ضخمًا جدًا لدرجة أنه يتسارع أو أنه لا يتحرك على الإطلاق، وفي هذه الحالة، تعمل قوة التصادم على السيارة وعلى الكوكب بأكمله، ومن الواضح أن هذا الأخير هو الأكبر لدرجة أن التأثيرات غير ملحوظة.

القوة : الاصطدام بسيارة

في حالة تصادم السيارة B مع السيارة C ، لدينا اعتبارات قوة مختلفة ، بافتراض أن السيارة B والسيارة C مرايا كاملة لبعضهما البعض (مرة أخرى ، هذا وضع مثالي للغاية) ، فإنهما سوف يتصادمان مع بعضهما البعض ، بنفس السرعة بالضبط ، ولكن في اتجاهات متعاكسة ، من الحفاظ على الزخم ، ونعلم أنه يجب أن يستريح كلاهما ، والكتلة هي نفسها ، وبالتالي فإن القوة التي تمر بها السيارة B والسيارة C متطابقة ، كما أنها مطابقة لتلك التي تعمل على السيارة،  في الحالة A في المثال السابق ، وهذا يفسر قوة التصادم ، ولكن هناك جزء ثان عن الطاقة داخل التصادم.

الطاقة

كما ذكرنا سابقًا القوة هي كمية متجهة ، بينما الطاقة الحركية هي كمية قياسية ، محسوبة بالصيغة K = 0.5 mv2 ، وفي الحالة الثانية أعلاه ، كل سيارة لديها طاقة حركية K مباشرة قبل الاصطدام ، وفي نهاية التصادم ، تكون كلتا السيارتين في حالة راحة ، وتبلغ الطاقة الحركية الإجمالية للنظام.

نظرًا لأن هذه التصادمات غير مرنة، فإن الطاقة الحركية لا يتم الحفاظ عليها، ولكن يتم الحفاظ دائمًا على إجمالي الطاقة، وبالتالي يجب تحويل الطاقة الحركية (المفقودة) في التصادم إلى شكل آخر مثل الحرارة أو الصوت وما إلى ذلك.

ففي المثال الأول ، حيث تتحرك سيارة واحدة فقط ، تكون الطاقة المنبعثة أثناء التصادم هي K ، أما في المثال الثاني ، على الرغم من ذلك ، هناك سيارتان متحركتان ، لذا فإن الطاقة الإجمالية المنبعثة أثناء التصادم ، هي 2K ، لذا فإن الانهيار في الحالة B ، من الواضح أنه أكثر نشاطًا من الحالة A.

من السيارات إلى الجسيمات

وبالتفكير في الاختلافات الرئيسية بين الحالتين ، فعلى المستوى الكمي للجسيمات ، يمكن للطاقة والتبادل بين المواد بشكل أساسي ، أما فيزياء اصطدام السيارة لن تنبعث منها سيارة جديدة تمامًا مهما كانت نشطة ، بل سوف تواجه السيارة نفس القوة بالضبط ، في كلتا الحالتين ، والقوة الوحيدة التي تعمل على السيارة ، هي التباطؤ المفاجئ من سرعة v إلى 0 في فترة زمنية وجيزة ، بسبب الاصطدام بأداة أخرى.

ومع ذلك، عندما يتم عرض النظام الكلي، فإن التصادم مع سيارتين في وضعية الاصطدام يتسبب في إطلاق طاقة مضاعفة مثل التصادم مع الحائط، ويكون الأمر أكثر شدة وسخونة وفوضى، ومن المرجح أن تتحد جميع السيارات وتتطاير الأجزاء في اتجاهات عشوائية.

وهذا هو السبب في أن الفيزيائيين يزيدون سرعة الجسيمات في المصادم لدراسة الفيزياء عالية الطاقة، ويعتبر تصادم الجسيمات مناسبًا لهذه الدراسة، حيث لا يهتم الباحثون بقوة الجسيمات (التي لا يمكن قياسها بشكل صحيح)، بل يهتمون بالطاقة الناتجة عن التصادم.

يسرع مسرع الجسيمات الجسيمات، ولكنه يفعل ذلك بسرعة حقيقية محددة جدا، والتي تفرضها سرعة الضوء الحاجز وفقا لنظرية النسبية لأينشتاين. ويتطلب ذلك ضغطا إضافيا للطاقة للخروج من التصادمات، بدلا من اصطدام شعاع جسيمات بسرعة قريبة من الجسم بجسم ثابت. ومن الأفضل اصطدامه بشعاع آخر من جزيئات سرعتها قريبة، مع السير في الاتجاه المعاكس.

ومن وجهة نظر الجسيم، فإنه لا يتحطم أكثر من ذلك بكثير، ولكن عندما يتصادم الجسيمان، يتم إطلاق المزيد من الطاقة، وفي تصادم الجسيمات، يمكن لهذه الطاقة أن تتحول إلى جسيمات أخرى، وكلما زاد استخلاص الطاقة من التصاميم، كلما ازدادت غرابة الجسيمات.