Столкновение

В физике , столкновение является любое событие , в котором два или более органов оказывают силы друг на друга в относительно короткий промежуток времени. Хотя наиболее распространенное использование слова « столкновение» относится к инцидентам, в которых два или более объекта сталкиваются с большой силой, научное использование этого термина ничего не говорит о величине силы.

Вот некоторые примеры физических взаимодействий, которые ученые считают столкновениями:

• Когда насекомое приземляется на лист растения, его ноги, как говорят, сталкиваются с листом.
• Когда кошка идет по лужайке, каждый контакт ее лап с землей считается столкновением, как и каждое прикосновение ее шерсти к травинке.
• Когда боксер наносит удар, считается, что его кулак сталкивается с телом противника.
• Когда астрономический объект сливается с черной дырой , считается, что они столкнулись.

Вот некоторые разговорные использования слова «столкновение»:

• В дорожном столкновении участвует как минимум один автомобиль.
• Столкновение в воздухе происходит между самолетами.
• Столкновения судов точно включает в себя по меньшей мере два движущихся морских судов , ударяя друг друга; родственный термин, аллизия , описывает, когда движущийся корабль ударяется о неподвижный объект (часто, но не всегда, другой корабль).

В физике столкновения можно классифицировать по изменению полной кинетической энергии системы до и после столкновения:

• Если большая часть или вся полная кинетическая энергия теряется ( рассеивается в виде тепла, звука и т. Д. Или поглощается самими объектами), столкновение считается неупругим ; такие столкновения связаны с полной остановкой объектов. Примером такого столкновения является автокатастрофа, когда автомобили при столкновении сминаются внутрь, а не отскакивают друг от друга. Это сделано специально для безопасности пассажиров и посторонних лиц в случае аварии - вместо этого рама автомобиля поглощает энергию аварии.
• Если большая часть кинетической энергии сохраняется (т. Е. После этого объекты продолжают движение), столкновение называется упругим . Примером этого является удары бейсбольной битой по бейсбольному мячу - кинетическая энергия биты передается мячу, что значительно увеличивает его скорость. Звук ударов битой по мячу означает потерю энергии.
• И если вся общая кинетическая энергия сохраняется (т. Е. Энергия не выделяется в виде звука, тепла и т. Д.), Удар считается совершенно упругим . Такая система является идеализацией и не может существовать в действительности из-за второго закона термодинамики .

Физика [ править ]

Отклонение происходит, когда объект ударяется о плоскую поверхность. Если кинетическая энергия после удара такая же, как и до удара, это упругое столкновение. Если кинетическая энергия потеряна, это неупругое столкновение. На диаграмме не показано, было ли изображенное столкновение упругим или неупругим, поскольку скорости не указаны. Максимум, что можно сказать, это то, что столкновение не было совершенно неупругим, потому что в этом случае мяч прилипал бы к стене.

Столкновение - это кратковременное взаимодействие между двумя или более чем двумя телами, одновременно вызывающее изменение движения вовлеченных тел из-за внутренних сил, действующих между ними во время этого. В столкновениях участвуют силы (есть изменение скорости ). Величина разницы скоростей непосредственно перед ударом называется скоростью закрытия . Все столкновения сохраняют импульс . Что отличает разные типы столкновений, так это то, что они также сохраняют кинетическую энергию . Линия удара - это линия, которая коллинеарна общей нормали к поверхностям, которые находятся ближе всего или контактируют во время удара. Это линия, по которой действует внутренняя сила столкновения при ударе, и коэффициент восстановления Ньютонаопределяется только по этой линии. Столкновения бывают трех типов:

1. идеально упругое столкновение
2. неупругое столкновение
3. совершенно неупругое столкновение.

В частности, столкновения могут быть либо упругими , что означает , что они сохраняют импульс и кинетическую энергию, либо неупругими , что означает , что они сохраняют импульс, но не кинетическую энергию.

Неупругое столкновение иногда также называют пластическим. «Совершенно неупругое» столкновение (также называемое «идеально пластическим» столкновением) - это предельный случай неупругого столкновения, при котором два тела сливаются после удара.

Степень упругости или неупругости столкновения количественно определяется коэффициентом восстановления , который обычно находится в диапазоне от нуля до единицы. Совершенно упругое столкновение имеет коэффициент восстановления, равный единице; абсолютно неупругое столкновение имеет нулевой коэффициент восстановления.

Типы столкновений [ править ]

Существует два типа столкновений между двумя телами: 1) лобовое столкновение или одномерное столкновение, при котором скорость каждого тела непосредственно перед столкновением соответствует линии удара, и 2) столкновения без лобового столкновения, косые столкновения. или двумерные столкновения - где скорость каждого тела непосредственно перед ударом не соответствует линии удара.

Согласно коэффициенту реституции, есть два особых случая любого столкновения, как указано ниже:

1. Совершенно упругое столкновение определяется как столкновение, при котором не происходит потери кинетической энергии при столкновении. В действительности, любое макроскопическое столкновение между объектами преобразует некоторую кинетическую энергию во внутреннюю энергию и другие формы энергии, поэтому никакие крупномасштабные столкновения не являются идеально упругими. Однако некоторые задачи достаточно близки к идеально упругим, что их можно аппроксимировать как таковые. В этом случае коэффициент реституции равен единице.
2. Неупругое столкновение является один , в котором часть кинетической энергии изменяется на какую - либо другую форму энергии при столкновении. Импульс сохраняется в неупругих столкновениях (как и в случае упругих столкновений), но невозможно отследить кинетическую энергию во время столкновения, поскольку часть ее преобразуется в другие формы энергии. В этом случае коэффициент реституции не равен единице.

В любом типе столкновения есть фаза, когда в какой-то момент сталкивающиеся тела имеют одинаковую скорость вдоль линии удара. Тогда кинетическая энергия тел уменьшается до минимума во время этой фазы и может быть названа фазой максимальной деформации, для которой на мгновение коэффициент реституции становится равным единице.

Столкновения в идеальных газах приближаются к идеально упругим столкновениям, как и рассеивающие взаимодействия субатомных частиц, которые отклоняются электромагнитной силой . Некоторые крупномасштабные взаимодействия, такие как гравитационное взаимодействие типа рогатки между спутниками и планетами, почти идеально упругие.

Столкновения между твердыми сферами могут быть почти упругими, поэтому полезно рассчитать предельный случай упругого столкновения. Предположение о сохранении импульса, а также о сохранении кинетической энергии делает возможным расчет конечных скоростей в столкновениях двух тел.

Allision [ править ]

В морском праве иногда бывает желательно различать ситуацию столкновения судна с движущимся объектом и его столкновения с неподвижным объектом. Слово «столкновение» затем используется для обозначения столкновения с неподвижным объектом, а слово «столкновение» используется для обозначения удара движущегося объекта. ^{[1] [2] [3]} Таким образом, когда два судна сталкиваются друг с другом, это называется столкновением, тогда как когда одно судно сталкивается с другим, это считается столкновением. ^[4] Неподвижным объектом также может быть мост или док.. Хотя между этими двумя терминами нет большой разницы и часто они даже используются как взаимозаменяемые, определение различия помогает прояснить обстоятельства чрезвычайных ситуаций и соответствующим образом адаптироваться. ^[5] В деле Vane Line Bunkering, Inc. против Натали DM / V было установлено, что существовала презумпция, что движущееся судно виновато, заявив, что « презумпция вытекает из здравого смысла наблюдения, что движущиеся суда обычно не сталкиваются с неподвижными объектами , если [движется] судно не засланный в некотором роде. » ^[6] Это также называют ^{[ кем? ]} , как Орегон правила. ^[7]

Аналитические и численные подходы к разрешению коллизий [ править ]

Относительно небольшое количество проблем, связанных со столкновениями, можно решить аналитически; остальные требуют численных методов . Важной проблемой при моделировании столкновений является определение фактического столкновения двух объектов. Эта проблема называется обнаружением столкновений .

Этот раздел может потребовать очистки, чтобы соответствовать стандартам качества Википедии . Нет очистки причина не была указана. Пожалуйста, помогите улучшить этот раздел, если можете. ( Февраль 2011 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Примеры коллизий, которые можно решить аналитически [ править ]

Бильярд [ править ]

Столкновения играют важную роль в киевских видах спорта . Поскольку столкновения между бильярдными шарами почти упругие, а шары катятся по поверхности с низким трением качения , их поведение часто используется для иллюстрации законов движения Ньютона . После столкновения без трения движущегося шара с неподвижным шаром равной массы угол между направлениями двух шаров составляет 90 градусов. Это важный факт, который принимают во внимание профессиональные игроки в бильярд ^[8], хотя предполагается, что мяч движется без какого-либо воздействия трения по столу, а не катится с трением. Рассмотрим упругое столкновение в двух измерениях любых двух масс m ₁ и m₂ , с соответствующими начальными скоростями u ₁ и u _2, где u ₂ = 0 , и конечными скоростями V ₁ и V ₂ . Сохранение количества движения дает m ₁ u ₁ = m ₁ V ₁ + m ₂ V ₂ . Сохранение энергии при упругом столкновении дает (1/2) m ₁ | u ₁ | ² = (1/2) м ₁ | V ₁ | ² + (1/2) м ₂ |V ₂ | ² . Теперь рассмотрим случай m ₁ = m ₂ : получаем u ₁ = V ₁ + V ₂ и | u ₁ | ² = | V ₁ | ² + | V ₂ | ² . Взяв скалярное произведение каждой части первого уравнения на себя, | u ₁ | ² = u ₁ • u ₁ = | V ₁ | ² + | V ₂| ² +2 В ₁ • В ₂ . Сравнение этого с последним уравнением дает V ₁ • V ₂ = 0, поэтому они перпендикулярны, если только V _{1 не} является нулевым вектором (что происходит тогда и только тогда, когда столкновение происходит в лоб).

Совершенно неупругое столкновение [ править ]

При совершенно неупругом столкновении, т. Е. При нулевом коэффициенте восстановления , сталкивающиеся частицы объединяются . Необходимо учитывать сохранение количества движения:

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

где v - конечная скорость, которая, следовательно, определяется выражением

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

Уменьшение полной кинетической энергии равно полной кинетической энергии до столкновения в системе координат с центром импульса по отношению к системе двух частиц, потому что в такой системе координат кинетическая энергия после столкновения равна нулю. В этой системе отсчета большая часть кинетической энергии перед столкновением приходится на частицу с меньшей массой. В другом кадре, помимо уменьшения кинетической энергии, может происходить передача кинетической энергии от одной частицы к другой; тот факт, что это зависит от кадра, показывает, насколько это относительно. С обращением времени мы имеем ситуацию, когда два объекта отталкиваются друг от друга, например, стреляют снарядом или ракета, прикладывающая тягу (сравнитевывод уравнения ракеты Циолковского ).

Примеры коллизий проанализированы численно [ править ]

Передвижение животных [ править ]

Столкновения ступни или лапы животного с нижележащим субстратом обычно называют силами реакции земли. Эти столкновения неупругие, поскольку кинетическая энергия не сохраняется. Важной темой исследований в протезировании является количественная оценка сил, возникающих во время столкновений ступней с землей, связанных как с инвалидами, так и без них. Эта количественная оценка обычно требует, чтобы испытуемые прошли по силовой платформе (иногда называемой «силовой пластиной»), а также провели подробный кинематический и динамический (иногда называемый кинетическим) анализ.

Столкновения использовались как экспериментальный инструмент [ править ]

Столкновения можно использовать в качестве экспериментального метода для изучения материальных свойств объектов и других физических явлений.

Исследование космоса [ править ]

Объект может преднамеренно приземлиться на другое небесное тело, провести измерения и отправить их на Землю перед уничтожением или позволить приборам в другом месте наблюдать эффект. См. Например:

• Во время Apollo 13 , Apollo 14 , Apollo 15 , Apollo 16 и Apollo 17 , S-IVB (третья ступень ракеты) разбился о Луну , чтобы выполнить сейсмические измерения, используемые для определения характеристик ядра Луны.
• Существенное воздействие
• SMART-1 - спутник Европейского космического агентства
• Зонд столкновения с луной - зонд ISRO

Математическое описание столкновений молекул [ править ]

Пусть линейный, угловой и внутренний импульсы молекулы задаются набором r переменных { p _i }. Тогда состояние молекулы может быть описано диапазоном δw _i = δ p ₁ δ p ₂ δ p ₃ ... δ p _r . Таких диапазонов, соответствующих разным состояниям, много; конкретное состояние может быть обозначено индексом i . Таким образом, две молекулы, подвергающиеся столкновению, можно обозначить ( i , j ) (такую ​​упорядоченную пару иногда называют созвездием.) Удобно предположить, что две молекулы оказывают незначительное влияние друг на друга, если их центр тяжести не приближается на критическое расстояние b . Следовательно, столкновение начинается, когда соответствующие центры тяжести достигают этого критического расстояния, и завершается, когда они снова достигают этого критического расстояния на своем пути друг от друга. Согласно этой модели, столкновение полностью описывается матрицей , которая относится к созвездию ( i , j ) до столкновения и (в общем, другому) созвездию ( k , l ) после столкновения. Это обозначение удобно при доказательстве Больцмана Н-теоремы о статистической механике .${\displaystyle {\begin{pmatrix}i&j\\k&l\end{pmatrix}}}$

Нападение путем умышленного столкновения [ править ]

Типы нападения с помощью умышленного столкновения включают:

• ударяя с телом: невооруженного чеканки , штамповки , ногами
• нанесение ударов оружием, таким как меч , дубинка или топор
• таран предметом или транспортным средством, например:
  • Таран-рейд , практика въезда машины в здание с целью взлома.
  • таран , средневековое оружие , используемое для разрушения больших дверей, а также современная версия используется полицией во время рейдов

Атакующее столкновение с удаленным объектом может быть достигнуто метанием или запуском снаряда .

См. Также [ править ]

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

• Толман, Р. К. (1938). Принципы статистической механики . Оксфорд: Clarendon Press.Переиздано (1979) Нью-Йорк: Dover ISBN 0-486-63896-0 . 

Внешние ссылки [ править ]

• Трехмерное столкновение - косое неупругое столкновение двух однородных сфер.
• Одномерное столкновение - Flash-апплет для одномерного столкновения.
• Двумерное столкновение - Двухмерный флэш-апплет столкновения.