Durante un accidente automovilístico, la energía se transfiere del vehículo a todo 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 daños a los automóviles y la propiedad. El objeto que fue golpeado absorberá la energía que se le aplica 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 una pared
Los accidentes automovilísticos son claros ejemplos de cómo funcionan las leyes del 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 veces la aceleración. En este caso, la aceleración es (v – 0) / t, donde t es el tiempo que tarda el automóvil A en 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 lo que hace que los autos se eleven en acordeón durante las colisiones.
Es importante señalar que este es un modelo idealizado . En el caso del automóvil A, si choca contra la pared y se detiene inmediatamente, sería una colisión perfectamente inelástica. Dado que la pared no se rompe ni se mueve en absoluto, toda la fuerza del automóvil contra la pared tiene que ir a alguna parte.
O el muro es tan masivo que se acelera, o se mueve imperceptiblemente, o no se mueve en absoluto, en cuyo caso la fuerza de la colisión actúa sobre el coche y sobre todo el planeta, el último de los cuales es, obviamente, tan masivo que los efectos son insignificantes.
Fuerza: Chocar con un coche
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 el uno del otro (nuevamente, esta es una situación altamente idealizada), chocarían 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 = 0.5mv 2 . 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.
Dado que 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 tiene que convertirse en alguna otra forma, como calor, sonido, etc.
En el primer ejemplo, donde solo se mueve un automóvil, la energía liberada durante la colisión es K. En el segundo ejemplo, sin embargo, dos son autos en movimiento, por lo que la energía total liberada durante la colisión es 2K. Entonces, el choque en el caso B es claramente más enérgico que el choque del caso A.
De los coches a las partículas
Considere las principales diferencias entre las dos situaciones. A nivel cuántico de partículas, la energía y la materia básicamente pueden intercambiar estados. La física de una colisión automovilística nunca, por enérgica que sea, emitirá un coche 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 la velocidad v a 0 en un breve período de tiempo, debido a la colisión con otro objeto.
Sin embargo, al ver el sistema total, la colisión en la situación con dos coches libera el doble de energía que la colisión con una pared. Es más ruidoso, más caliente y probablemente más desordenado. Con toda probabilidad, los autos se han fusionado entre sí, piezas volando en direcciones aleatorias.
Esta es la razón por la que los físicos aceleran las partículas en un colisionador para estudiar la física de altas energías. El acto de colisionar dos haces de partículas es útil porque en las colisiones de partículas a uno realmente no le importa la fuerza de las partículas (que nunca se mide realmente); en cambio, te preocupas por 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 extraer un poco de energía extra de las colisiones, en lugar de colisionar un haz de partículas de velocidad cercana a la luz con un objeto estacionario, es mejor colisionarlo con otro haz de partículas de velocidad cercana a la luz que van en la 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 las colisiones de partículas, esta energía puede tomar la forma de otras partículas, y cuanta más energía extraigas de la colisión, más exóticas serán las partículas.
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