Kollision - Collision

In der Physik ist eine Kollision jedes Ereignis, bei dem zwei oder mehr Körper in relativ kurzer Zeit Kräfte aufeinander ausüben . Obwohl der gebräuchlichste Gebrauch des Wortes Kollision sich auf Vorfälle bezieht, bei denen zwei oder mehr Objekte mit großer Kraft kollidieren, sagt der wissenschaftliche Gebrauch des Begriffs nichts über die Größe der Kraft aus.

Einige Beispiele für physikalische Wechselwirkungen, die Wissenschaftler als Kollisionen betrachten würden, sind die folgenden:

  • Wenn ein Insekt auf dem Blatt einer Pflanze landet, sollen seine Beine mit dem Blatt kollidieren.
  • Wenn eine Katze über einen Rasen schreitet, wird jeder Kontakt ihrer Pfoten mit dem Boden als Kollision gewertet, ebenso wie jede Berührung ihres Fells gegen einen Grashalm.
  • Wenn ein Boxer einen Schlag wirft, soll seine Faust mit dem Körper des Gegners kollidieren.
  • Wenn ein astronomisches Objekt mit einem Schwarzen Loch verschmilzt , gelten sie als kollidieren.

Einige umgangssprachliche Verwendungen des Wortes Kollision sind die folgenden:

  • An einer Verkehrskollision ist mindestens ein Auto beteiligt.
  • Ein Luft schwebend Kollision erfolgt zwischen Flugzeugen.
  • Eine Schiffskollision beinhaltet genau, dass mindestens zwei sich bewegende Seeschiffe aufeinandertreffen; der verwandte Begriff Allision beschreibt, wenn ein sich bewegendes Schiff auf ein stationäres Objekt trifft (oft, aber nicht immer, ein anderes Schiff).

In der Physik lassen sich Kollisionen anhand der Änderung der gesamten kinetischen Energie des Systems vor und nach der Kollision klassifizieren :

  • Wenn der größte Teil oder die gesamte kinetische Energie verloren geht ( als Wärme, Schall usw. dissipiert oder von den Objekten selbst absorbiert wird), wird die Kollision als unelastisch bezeichnet ; Bei solchen Kollisionen kommt es zu einem vollständigen Stillstand von Objekten. Ein Beispiel für eine solche Kollision ist ein Autounfall, bei dem Autos beim Aufprall nach innen kollabieren, anstatt voneinander abzuprallen. Dies dient der Sicherheit der Insassen und Umstehenden im Falle eines Crashs – der Rahmen des Autos absorbiert stattdessen die Energie des Crashs.
  • Wenn der größte Teil der kinetischen Energie erhalten bleibt (dh die Objekte bewegen sich danach weiter), wird der Stoß als elastisch bezeichnet . Ein Beispiel dafür ist ein Baseballschläger, der einen Baseball schlägt – die kinetische Energie des Schlägers wird auf den Ball übertragen, wodurch die Geschwindigkeit des Balls stark erhöht wird. Das Geräusch des Schlägers, der den Ball trifft, repräsentiert den Energieverlust.
  • Und wenn die gesamte kinetische Energie erhalten bleibt (dh es wird keine Energie in Form von Schall, Wärme usw. freigesetzt), wird der Stoß als vollkommen elastisch bezeichnet . Ein solches System ist eine Idealisierung und kann aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik in der Realität nicht vorkommen .

Physik

Ablenkung tritt auf , wenn ein Objekt auf eine ebene Fläche trifft. Ist die kinetische Energie nach dem Aufprall die gleiche wie vor dem Aufprall, handelt es sich um einen elastischen Aufprall. Geht kinetische Energie verloren, handelt es sich um einen unelastischen Stoß. Ob der dargestellte Stoß elastisch oder unelastisch war, zeigt das Diagramm nicht, da keine Geschwindigkeiten angegeben sind. Man kann höchstens sagen, dass die Kollision nicht vollkommen unelastisch war, denn dann wäre die Kugel an der Wand kleben geblieben.

Kollision ist eine kurzzeitige Wechselwirkung zwischen zwei Körpern oder mehr als zwei Körpern gleichzeitig, die eine Bewegungsänderung der beteiligten Körper aufgrund der dabei zwischen ihnen wirkenden inneren Kräfte bewirkt. Kollisionen beinhalten Kräfte (es gibt eine Geschwindigkeitsänderung ). Die Größe der Geschwindigkeitsdifferenz kurz vor dem Aufprall wird als Schließgeschwindigkeit bezeichnet . Alle Kollisionen erhalten Impuls . Was verschiedene Arten von Kollisionen unterscheidet, ist, ob sie auch kinetische Energie erhalten . Die Aufpralllinie ist die Linie, die kollinear zur gemeinsamen Normalen der Oberflächen ist, die während des Aufpralls am nächsten sind oder sich berühren. Dies ist die Linie, entlang der die innere Kollisionskraft während des Aufpralls wirkt, und der Newtonsche Restitutionskoeffizient ist nur entlang dieser Linie definiert. Es gibt drei Arten von Kollisionen:

  1. perfekt elastische Kollision
  2. unelastische Kollision
  3. vollkommen unelastische Kollision.

Insbesondere können Kollisionen entweder elastisch sein , dh sie erhalten sowohl Impuls als auch kinetische Energie, oder unelastisch , dh sie erhalten Impuls, aber keine kinetische Energie.

Ein unelastischer Stoß wird manchmal auch als plastischer Stoß bezeichnet. A „vollkommen unelastisch“ Kollision ist ein (auch ein „perfekt Kunststoff“ Kollision genannt) Grenzfall von unelastischer Kollision , bei der die beiden Körper koaleszieren nach dem Aufprall.

Der Grad, in dem eine Kollision elastisch oder unelastisch ist, wird durch den Restitutionskoeffizienten quantifiziert , ein Wert, der im Allgemeinen zwischen null und eins liegt. Eine vollkommen elastische Kollision hat einen Restitutionskoeffizienten von eins; eine vollkommen unelastische Kollision hat einen Restitutionskoeffizienten von Null.

Arten von Kollisionen

Es gibt zwei Arten von Kollisionen zwischen zwei Körpern - 1) Frontalkollisionen oder eindimensionale Kollisionen - wobei die Geschwindigkeit jedes Körpers kurz vor dem Aufprall entlang der Aufpralllinie liegt und 2) Nicht-Frontalkollisionen, schräge Kollisionen oder zweidimensionale Kollisionen - bei denen die Geschwindigkeit jedes Körpers kurz vor dem Aufprall nicht entlang der Aufpralllinie liegt.

Gemäß dem Restitutionskoeffizienten gibt es zwei Spezialfälle einer Kollision, wie unten beschrieben:

  1. Eine perfekt elastische Kollision ist definiert als eine Kollision, bei der keine kinetische Energie verloren geht . In Wirklichkeit wandelt jede makroskopische Kollision zwischen Objekten einen Teil der kinetischen Energie in innere Energie und andere Energieformen um, sodass keine großräumigen Stöße perfekt elastisch sind. Einige Probleme sind jedoch so nahe an perfekt elastisch, dass sie als solche angenähert werden können. In diesem Fall beträgt der Restitutionskoeffizient eins.
  2. Ein unelastischer Stoß ist ein Stoß, bei dem ein Teil der kinetischen Energie beim Stoß in eine andere Energieform umgewandelt wird. Der Impuls bleibt bei unelastischen Stößen erhalten (wie bei elastischen Stößen), aber man kann die kinetische Energie nicht durch den Stoß verfolgen, da ein Teil davon in andere Energieformen umgewandelt wird. In diesem Fall ist der Restitutionskoeffizient nicht gleich eins.

Bei jeder Art von Kollision gibt es eine Phase, in der kollidierende Körper für einen Moment die gleiche Geschwindigkeit entlang der Aufpralllinie haben. Dann reduziert sich die kinetische Energie der Körper während dieser Phase auf ihr Minimum und kann als Phase maximaler Verformung bezeichnet werden, für die momentan die Der Restitutionskoeffizient wird eins.

Kollisionen in idealen Gasen nähern sich perfekt elastischen Kollisionen, ebenso wie Streuwechselwirkungen von subatomaren Teilchen, die durch die elektromagnetische Kraft abgelenkt werden . Einige großräumige Wechselwirkungen wie die Gravitationswechselwirkungen vom Schleudertyp zwischen Satelliten und Planeten sind fast vollkommen elastisch.

Kollisionen zwischen harten Kugeln können nahezu elastisch sein, daher ist es sinnvoll, den Grenzfall einer elastischen Kollision zu berechnen. Die Annahme der Impulserhaltung sowie der Erhaltung der kinetischen Energie ermöglicht die Berechnung der Endgeschwindigkeiten bei Zweikörperstößen.

Allianz

Im Seerecht ist es gelegentlich wünschenswert, zwischen dem Auftreffen eines Schiffes auf ein sich bewegendes Objekt und dem Auftreffen auf ein stationäres Objekt zu unterscheiden. Das Wort "Allision" wird dann verwendet, um das Auftreffen eines stationären Objekts zu bezeichnen, während "Kollision" verwendet wird, um das Auftreffen eines sich bewegenden Objekts zu bezeichnen. Wenn also zwei Schiffe gegeneinander laufen, verwenden Gerichte normalerweise den Begriff Kollision, während wenn ein Schiff gegen ein anderes läuft, normalerweise den Begriff Allision verwenden. Das feste Objekt kann auch eine Brücke oder ein Dock sein . Obwohl es keine großen Unterschiede zwischen den beiden Begriffen gibt und sie oft sogar synonym verwendet werden, hilft die Bestimmung des Unterschieds, die Umstände von Notfällen zu klären und entsprechend anzupassen. Im Fall von Vane Line Bunkering, Inc. gegen Natalie DM/V wurde festgestellt, dass die Vermutung bestand, dass das fahrende Schiff schuldhaft sei, und erklärte, dass "die Vermutung aus der Beobachtung des gesunden Menschenverstands herrührt, dass fahrende Schiffe normalerweise nicht" mit stationären Objekten kollidieren, es sei denn, das [sich bewegende] Schiff wird in irgendeiner Weise falsch gehandhabt. “ Dies wird auch als The Oregon Rule bezeichnet.

Analytische vs. numerische Ansätze zur Auflösung von Kollisionen

Relativ wenige Kollisionsprobleme können analytisch gelöst werden; der Rest erfordert numerische Methoden . Ein wichtiges Problem bei der Simulation von Kollisionen ist die Feststellung, ob zwei Objekte tatsächlich kollidiert sind. Dieses Problem wird als Kollisionserkennung bezeichnet .

Beispiele für analytisch lösbare Kollisionen

Billard

Kollisionen spielen im Queuesport eine wichtige Rolle . Da die Kollisionen zwischen Billardkugeln nahezu elastisch sind und die Kugeln auf einer Oberfläche rollen, die eine geringe Rollreibung erzeugt , wird ihr Verhalten oft verwendet, um die Newtonschen Bewegungsgesetze zu veranschaulichen . Nach einer reibungsfreien Kollision einer sich bewegenden Kugel mit einer ruhenden Kugel gleicher Masse beträgt der Winkel zwischen den Richtungen der beiden Kugeln 90 Grad. Dies ist eine wichtige Tatsache, die professionelle Billardspieler berücksichtigen, obwohl sie davon ausgeht, dass sich der Ball ohne Reibungswirkung über den Tisch bewegt und nicht mit Reibung rollt. Betrachten Sie einen elastischen Stoß in zwei Dimensionen von zwei beliebigen Massen m 1 und m 2 mit den jeweiligen Anfangsgeschwindigkeiten u 1 und u 2 mit u 2 = 0 und den Endgeschwindigkeiten V 1 und V 2 . Impulserhaltung ergibt m 1 u 1 = m 1 V 1 + m 2 V 2 . Die Energieerhaltung für einen elastischen Stoß ergibt (1/2) m 1 | u 1 | 2 = (1/2) m 1 | V 1 | 2 + (1/2) m 2 | V 2 | 2 . Betrachten wir nun den Fall m 1 = m 2 : wir erhalten u 1 = V 1 + V 2 und | u 1 | 2 = | V 1 | 2 + | V 2 | 2 . Nimmt man das Skalarprodukt jeder Seite der ersten Gleichung mit sich selbst, | u 1 | 2 = u 1u 1 = | V 1 | 2 + | V 2 | 2 + 2 V 1V 2 . Ein Vergleich mit der letzteren Gleichung ergibt V 1V 2 = 0, also stehen sie senkrecht, es sei denn, V 1 ist der Nullvektor (was genau dann auftritt, wenn die Kollision frontal erfolgt).

Perfekte unelastische Kollision

ein völlig unelastischer Stoß zwischen gleichen Massen

Bei einem perfekten inelastischen Stoß, dh einem Rückstellungskoeffizienten von Null , koaleszieren die kollidierenden Teilchen . Dabei ist die Impulserhaltung zu beachten:

wobei v die Endgeschwindigkeit ist, die also gegeben ist durch

Die Reduktion der kinetischen Gesamtenergie ist gleich der kinetischen Gesamtenergie vor der Kollision in einem Impulszentrumssystem in Bezug auf das System aus zwei Teilchen, da in einem solchen System die kinetische Energie nach der Kollision Null ist. In diesem System ist der größte Teil der kinetischen Energie vor der Kollision die des Teilchens mit der kleineren Masse. In einem anderen System kann zusätzlich zur Reduzierung der kinetischen Energie eine Übertragung von kinetischer Energie von einem Teilchen auf das andere erfolgen; die Tatsache, dass dies vom Rahmen abhängt, zeigt, wie relativ dies ist. Mit umgekehrter Zeit haben wir die Situation zweier Objekte, die voneinander weggedrückt werden, z. B. das Abschießen eines Projektils oder eine Rakete , die Schub ausübt (vergleiche die Herleitung der Tsiolkovsky-Raketengleichung ).

Beispiele für numerisch analysierte Kollisionen

Tierbewegung

Kollisionen des Fußes oder der Pfote eines Tieres mit dem darunterliegenden Substrat werden allgemein als Bodenreaktionskräfte bezeichnet. Diese Kollisionen sind unelastisch, da die kinetische Energie nicht erhalten bleibt. Ein wichtiges Forschungsthema in der Prothetik ist die Quantifizierung der Kräfte, die bei den Tritt-Boden-Kollisionen sowohl beim behinderten als auch beim nicht behinderten Gang entstehen. Diese Quantifizierung erfordert typischerweise, dass die Probanden über eine Kraftplattform (manchmal als "Kraftplatte" bezeichnet) sowie eine detaillierte kinematische und dynamische (manchmal als kinetische) Analyse bezeichnet werden.

Kollisionen als experimentelles Werkzeug

Kollisionen können als experimentelle Technik verwendet werden, um Materialeigenschaften von Objekten und anderen physikalischen Phänomenen zu untersuchen.

Weltraumforschung

Ein Objekt kann absichtlich auf einem anderen Himmelskörper abgestürzt werden, um Messungen durchzuführen und sie vor der Zerstörung zur Erde zu senden, oder um es Instrumenten an anderer Stelle zu ermöglichen, den Effekt zu beobachten. Siehe zB:

Mathematische Beschreibung molekularer Kollisionen

Die Linear-, Dreh- und Eigenimpulse eines Moleküls seien durch die Menge der r Variablen { p i } gegeben. Der Zustand eines Moleküls kann dann durch den Bereich w i = p 1 δ p 2 δ p 3 ... δ p r beschrieben werden  . Es gibt viele solcher Bereiche, die verschiedenen Zuständen entsprechen; ein bestimmter Zustand kann durch den Index i bezeichnet werden . Zwei Moleküle, die kollidieren, können daher mit ( i , j ) bezeichnet werden (ein solches geordnetes Paar wird manchmal als Konstellation bezeichnet) . a kritischer Abstand b . Eine Kollision beginnt also, wenn die jeweiligen Schwerpunkte diesen kritischen Abstand erreichen, und ist beendet, wenn sie auf ihrem Weg auseinander diesen kritischen Abstand wieder erreichen. Bei diesem Modell wird eine Kollision vollständig durch die Matrix beschrieben , die sich auf die Konstellation ( i , j ) vor der Kollision und die (im Allgemeinen verschiedene) Konstellation ( k , l ) nach der Kollision bezieht . Diese Notation ist praktisch, um Boltzmanns H-Satz der statistischen Mechanik zu beweisen .

Angriff durch absichtliche Kollision

Angriffsarten durch absichtliche Kollision sind:

  • mit dem Körper auffällig: unbewaffnet auffällig , Stanzen , Tritte
  • Schlagen mit einer Waffe, wie einem Schwert , einer Keule oder einer Axt
  • Rammen mit einem Gegenstand oder Fahrzeug, zB:
    • Ram-Raiding , die Praxis, ein Auto in ein Gebäude zu fahren, um einzubrechen
    • ein Rammbock , mittelalterliche Waffe zum Aufbrechen großer Türen, auch eine moderne Version wird von Polizeikräften bei Razzien verwendet

Eine angreifende Kollision mit einem entfernten Objekt kann durch Werfen oder Abfeuern eines Projektils erreicht werden .

Siehe auch

Anmerkungen

Verweise

Externe Links