Trong một vụ va chạm ô tô, năng lượng được truyền từ chiếc xe sang bất cứ thứ gì nó va phải, có thể là một chiếc xe khác hoặc một vật thể đứng yên. Sự truyền năng lượng này, phụ thuộc vào các biến số làm thay đổi trạng thái chuyển động, có thể gây ra thương tích và làm hỏng chiếc xe và tài sản. Vật thể bị va chạm sẽ hấp thụ năng lượng đẩy lên nó hoặc có thể chuyển năng lượng đó trở lại phương tiện va chạm với nó. Tập trung vào sự phân biệt giữa lực và năng lượng có thể giúp giải thích vật lý liên quan.
Lực: Va chạm với một bức tường
Các vụ va chạm ô tô là ví dụ rõ ràng về cách thức hoạt động của Định luật Chuyển động của Newton. Định luật đầu tiên của ông về chuyển động, còn được gọi là Định luật quán tính, khẳng định rằng một vật thể đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động trừ khi có ngoại lực tác động lên nó. Ngược lại, nếu một vật ở trạng thái nghỉ, nó sẽ đứng yên cho đến khi một lực không cân bằng tác dụng lên nó.
Hãy xem xét một tình huống trong đó ô tô A va chạm với một bức tường tĩnh, không thể phá vỡ. Tình huống bắt đầu với ô tô A đang di chuyển với vận tốc (v) và khi va chạm vào tường, kết thúc với vận tốc 0. Lực của tình huống này được định nghĩa bởi định luật chuyển động thứ hai của Newton, sử dụng phương trình của lực bằng khối lượng nhân gia tốc. Trong trường hợp này, gia tốc là (v – 0)/t, trong đó t là thời gian xe A dừng lại.
Ô tô tác dụng lực này theo hướng của bức tường, nhưng bức tường, tĩnh và không thể phá vỡ, tác dụng trở lại ô tô một lực tương đương, theo định luật chuyển động thứ ba của Newton. Lực cân bằng này là nguyên nhân làm cho ô tô biến dạng khi va chạm.
Điều quan trọng cần lưu ý là đây là một mô hình lý tưởng hóa. Trong trường hợp ô tô A, nếu nó đâm vào tường và dừng lại ngay lập tức, đó sẽ là một vụ va chạm hoàn toàn không đàn hồi. Vì bức tường hoàn toàn không bị vỡ hoặc di chuyển, nên toàn bộ lực của chiếc xe vào bức tường phải đi đến một nơi nào đó. Hoặc là bức tường quá lớn đến mức khi nó tăng tốc, hoặc di chuyển một lượng chúng ta không thể nhận thấy, hoặc nó hoàn toàn không chuyển động, trong trường hợp đó, lực của vụ va chạm sẽ tác động lên xe hơi và toàn bộ hành tinh, tác động lên hành tinh thì thực sự là không đáng kể gì.
Lực: Va chạm với một chiếc ô tô khác
Trong một tình huống xe B va chạm với xe C, chúng ta có cách tính lực khác nhau. Giả sử rằng ô tô B và ô tô C là những tấm gương phản chiếu hoàn toàn của nhau (một lần nữa, đây là một tình huống rất lý tưởng), chúng sẽ va chạm với nhau khi đi với tốc độ chính xác nhưng ngược chiều nhau. Từ sự bảo toàn động lượng, chúng ta biết rằng cả hai đều phải đến trạng thái nghỉ. Khối lượng là như nhau, do đó, lực tác dụng bởi ô tô B và ô tô C là giống hệt nhau, và cũng giống như lực tác dụng lên ô tô trong trường hợp A trong ví dụ trước.
Điều này giải thích lực của vụ va chạm, nhưng có một phần thứ hai của câu hỏi: năng lượng bên trong va chạm.
Năng lượng
Lực là đại lượng vectơ còn động năng là đại lượng vô hướng, được tính với công thức K = 0.5mv2. Trong tình huống thứ hai trên, mỗi ô tô có động năng K trực tiếp trước va chạm. Cuối va chạm, cả hai ô tô đều đứng yên, động năng toàn phần của hệ bằng 0.
Vì đây là những va chạm không đàn hồi nên động năng không được bảo toàn mà tổng năng lượng luôn được bảo toàn nên động năng bị “mất” trong va chạm phải chuyển thành một số dạng khác như nhiệt, âm, v.v.
Trong ví dụ đầu tiên khi chỉ có một ô tô chuyển động, năng lượng giải phóng khi va chạm là K. Tuy nhiên, trong ví dụ thứ hai, hai ô tô chuyển động, do đó tổng năng lượng giải phóng trong va chạm là 2K. Vì vậy, vụ va chạm trong trường hợp B rõ ràng là mạnh hơn trường hợp A va chạm.
Từ Ô tô đến Hạt
Hãy xem xét sự khác biệt chính giữa hai tình huống. Ở cấp độ lượng tử của các hạt, năng lượng và vật chất về cơ bản có thể hoán đổi giữa các trạng thái. Vật lý của một vụ va chạm ô tô sẽ không bao giờ, dù năng lượng lớn đến đâu, phát ra một chiếc xe hoàn toàn mới.
Chiếc xe sẽ chịu lực chính xác như nhau trong cả hai trường hợp. Lực duy nhất tác dụng lên ô tô là sự giảm tốc đột ngột từ vận tốc v về 0 trong một khoảng thời gian ngắn, do va chạm với một vật khác.
Tuy nhiên, khi xem hệ thống tổng thể, va chạm trong tình huống hai chiếc xe giải phóng năng lượng gấp đôi so với va chạm với một bức tường. Nó to hơn, nóng hơn và có thể lộn xộn hơn. Trong tất cả các khả năng, những chiếc xe đã hợp nhất vào nhau, các mảnh bay ra theo các hướng ngẫu nhiên.
Đây là lý do tại sao các nhà vật lý gia tốc các hạt trong máy va chạm để nghiên cứu vật lý năng lượng cao. Hành động va chạm của hai chùm hạt rất hữu ích vì trong va chạm của các hạt, bạn không thực sự quan tâm đến lực của các hạt (mà bạn không bao giờ thực sự đo được); thay vào đó bạn quan tâm đến năng lượng của các hạt.
Một máy gia tốc hạt tăng tốc các hạt nhưng làm như vậy với giới hạn tốc độ rất thực được quy định bởi tốc độ của rào cản ánh sáng theo thuyết tương đối của Einstein. Để loại bỏ một số năng lượng thừa từ các vụ va chạm, thay vì va chạm một chùm hạt gần tốc độ ánh sáng với một vật thể đứng yên, thì tốt hơn là va chạm nó với một chùm hạt tốc độ gần ánh sáng khác đi theo hướng ngược lại.
Từ quan điểm của hạt, chúng không “vỡ ra nhiều hơn”, nhưng khi hai hạt va chạm, năng lượng được giải phóng nhiều hơn. Trong va chạm của các hạt, năng lượng này có thể ở dạng các hạt khác, và bạn càng rút nhiều năng lượng ra khỏi va chạm, thì các hạt này càng kỳ lạ.
