Столкновение - Collision

В физика, а столкновение любое событие, в котором два или более органа оказывают силы друг на друга за относительно короткое время. 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 черная дыра, они считаются столкнувшимися.

Вот некоторые разговорные использования слова «столкновение»:

А Дорожно-транспортное происшествие включает как минимум один автомобиль.
А столкновение в воздухе происходит между самолетами.
А столкновение корабля точно включает столкновение как минимум двух движущихся морских судов друг с другом; связанный термин, союз, описывает, когда движущееся судно ударяется о неподвижный объект (часто, но не всегда, другой корабль).

В физике столкновения можно классифицировать по изменению общего кинетическая энергия системы до и после столкновения:

Если большая часть или вся кинетическая энергия потеряна (рассеянный как тепло, звук и т. д. или поглощаются самими объектами), столкновение называется неэластичный; такие столкновения связаны с полной остановкой объектов. Примером такого столкновения является автокатастрофа, когда автомобили при столкновении сминаются внутрь, а не отскакивают друг от друга. Этот по дизайну, для безопасность пассажиров и посторонние лица в случае аварии - вместо этого рама автомобиля поглощает энергию аварии.
Если большая часть кинетической энергии сохраняется (т.е. объекты продолжают движение после этого), говорят, что столкновение эластичный. Примером этого является удар бейсбольной битой по бейсбольному мячу - кинетическая энергия биты передается мячу, значительно увеличивая его скорость. Звук ударов битой по мячу означает потерю энергии.
И если вся полная кинетическая энергия сохраняется (т.е.не выделяется энергия в виде звука, тепла и т. Д.), Говорят, что столкновение идеально эластичный. Такая система является идеализация и не может произойти в реальности из-за второй закон термодинамики.

Физика

Прогиб 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 проиллюстрированное 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. Столкновения связаны с силами (есть изменение скорость ). Величина разницы скоростей непосредственно перед ударом называется скорость закрытия. Все столкновения сохраняются импульс. Различные типы столкновений отличает то, что они также сохраняют кинетическая энергия. 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 ньютоновская коэффициент реституции определяется только по этой линии. Столкновения бывают трех типов:

идеально упругое столкновение
неупругое столкновение
совершенно неупругое столкновение.

В частности, столкновения могут быть эластичный, это означает, что они сохраняют как импульс, так и кинетическую энергию, или неэластичный, это означает, что они сохраняют импульс, но не кинетическую энергию.

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

Степень упругости или неупругости столкновения количественно определяется с помощью коэффициент реституции, значение, которое 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

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:

Совершенно упругое столкновение определяется как тот, в котором нет потери кинетическая энергия при столкновении. На самом деле любое макроскопическое столкновение между объектами преобразует некоторую кинетическую энергию в внутренняя энергия и другие формы энергии, поэтому никакие крупномасштабные удары не являются идеально эластичными. Однако некоторые задачи достаточно близки к идеально упругим, что их можно аппроксимировать как таковые. В этом случае коэффициент реституции равен единице.
An неупругое столкновение это тот, в котором часть кинетической энергии изменяется на другую форму энергии при столкновении. Импульс сохраняется в неупругих столкновениях (как и в случае упругих столкновений), но невозможно отследить кинетическую энергию через столкновение, 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 идеальные газы приближаются к идеально упругим столкновениям, как и рассеивающие взаимодействия субатомные частицы которые отклоняются электромагнитная сила. Некоторые крупномасштабные взаимодействия, такие как гравитационные взаимодействия типа рогатки между спутниками и планетами, почти идеально эластичны.

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

В морское право, иногда желательно различать ситуацию, когда судно сталкивается с движущимся объектом, и когда оно сталкивается 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, а когда одно судно сталкивается с другим, это считается столкновением.^[4] Фиксированный объект также может быть мост или же 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 случае Vane Line Bunkering, Inc. против Натали Д. М / В, было установлено, что существовала презумпция виновности движущегося судна, заявив, что "Презумпция вытекает из здравого смысла наблюдения, что движущиеся суда обычно не сталкиваются с неподвижными объектами, если только с [движущимся] судном не обращаются каким-либо образом.”^[6] Это также упоминается^{[кем? ]} в качестве Правило Орегона.^[7]

Аналитические и численные подходы к разрешению коллизий

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

Примеры коллизий, которые можно решить аналитически

Бильярд

Столкновения играют важную роль в кий спорт. Потому что столкновения между бильярдные шары почти эластичны, а шарики катятся по поверхности с низким трение качения, их поведение часто используется для иллюстрации Законы 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 бильярдисты,^[8] хотя предполагается, что мяч движется без какого-либо трения по столу, а не катится с трением. Рассмотрим упругое столкновение в двух измерениях любых двух масс m₁ И м₂, с соответствующими начальными скоростями ты₁ и ты₂ куда ты₂ = 0, а конечные скорости V₁ и V₂Сохранение количества движения дает m₁ты₁ = м₁V₁+ м₂V₂Сохранение энергии при упругом столкновении дает (1/2) м₁|ты₁|² = (1/2) м₁|V₁|² + (1/2) м₂|V₂|². Теперь рассмотрим случай m₁ = м₂: мы получаем ты₁=V₁+V₂ и |ты₁|² = |V₁|²+|V₂|². Принимая скалярное произведение каждой части бывшего уравнения с самим собой, |ты₁|² = ты₁• ты₁ = |V₁|²+|V₂|²+2V₁• V₂. Сравнение этого с последним уравнением дает V₁• V₂ = 0, поэтому они перпендикулярны, если V₁ - нулевой вектор (который возникает тогда и только тогда, когда столкновение происходит в лоб).

Совершенно неупругое столкновение

совершенно неупругое столкновение между равными массами

При совершенно неупругом столкновении, т. Е. При нулевом коэффициент реституции, сталкивающиеся частицы объединяться. Необходимо учитывать сохранение количества движения:

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

куда 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 центр импульса кадра относительно системы двух частиц, потому что в такой системе отсчета 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 стрельба снаряд, или ракета применение толкать (сравните вывод уравнения ракеты Циолковского ).

Примеры коллизий, проанализированных численно

Передвижение животных

Столкновения ступни или лапы животного с нижележащим субстратом обычно называют силами реакции земли. Эти столкновения неупругие, поскольку кинетическая энергия не сохраняется. Важная тема исследования в протезирование количественно оценивает силы, возникающие во время столкновений ступней с землей, связанных как с отключенной, так и с нормальной походкой. Такая количественная оценка обычно требует, чтобы испытуемые прошли через силовая платформа (иногда называемый "силовой пластиной"), а также подробные кинематический и динамичный (иногда называемый кинетическим) анализом.

Столкновения используются как экспериментальный инструмент

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

Исследование космоса

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:

В течение Аполлон-13, Аполлон 14, Аполлон 15, Аполлон-16 и Аполлон-17, то S-IVB (третья ступень ракеты) врезалась в Луна для проведения сейсмических измерений, используемых для характеристики ядра Луны.
Существенное воздействие
СМАРТ-1 - Европейское космическое агентство спутник
Зонд воздействия Луны - ISRO зонд

Математическое описание столкновений молекул

Пусть линейный, угловой и внутренний импульсы молекулы задаются набором р переменные { п_я }. Тогда состояние молекулы можно описать диапазоном δw_я = δп₁δп₂δп₃ ... δп_р. Таких диапазонов, соответствующих разным состояниям, много; конкретное состояние может быть обозначено индексом я. Таким образом, две молекулы, испытывающие столкновение, можно обозначить как (я, j) (Такая упорядоченная пара иногда называется созвездие.) Удобно предположить, что две молекулы оказывают незначительное влияние друг на друга, если их центр тяжести не приближается на критическое расстояние. б. 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. В рамках этой модели столкновение полностью описывается матрицей ${displaystyle {egin {pmatrix} i & j k & lend {pmatrix}}}$ , что относится к созвездию (я, j) перед столкновением, а созвездие (в общем другое) (k, л) после столкновения. Эти обозначения удобны при доказательстве Больцмана. H-теорема из статистическая механика.

Нападение путем умышленного столкновения

Типы нападения с помощью умышленного столкновения включают:

нанесение ударов телом: без оружия поразительный, штамповка, пинки
нанесение ударов оружием, например меч, клуб или же топор
таран с предметом или транспортным средством, например:
- Таран-набег, практика вождения автомобиля в здание с целью взлома
- а таран, средневековое оружие, используемое для взлома больших дверей, а также современная версия используется полицией во время рейдов

Атакующее столкновение с удаленным предметом может быть достигнуто броском или запуском снаряд.

Смотрите также

Примечания

^ merriam-webster.com, "Allision ". Проверено 7 ноября 2014 г.
^ «Адмиралтейский суд отклоняет правило равного деления и неравномерно распределяет убытки в случае столкновения множественной вины». Columbia Law Review. 63 (3): 554, сноска 1. Март 1963 г. JSTOR 1120603. Удар судном о неподвижный объект, такой как мост, технически именуемый «столкновение», а не «столкновение»..
^ Талли, Уэйн К. (январь 1995 г.). «Инвестиции в безопасность и условия эксплуатации: факторы, определяющие стоимость повреждения пассажирского судна при аварии». Южный экономический журнал. 61 (3): 823, примечание 11. JSTOR 1061000. столкновение - судно столкнулось или столкнулось с другим судном на поверхности воды, или столкнулось с неподвижным объектом, а не с другим кораблем (столкновение).
^ "Allision", Бесплатный словарь, получено 2018-08-28
^ "Вы говорите" Столкновение ", я говорю" Allision; давайте разберемся во всем | response.restoring.noaa.gov ". response.restoring.noaa.gov. Получено 2018-08-28.
^ Судья, ЭЛДОН Э. ФАЛЛОН, округ. "VANE LINE BUNKERING, INC. | Гражданский иск № 17-1882. | 20180222d82 | Leagle.com". Leagle. Получено 2018-08-28.
^ Видеть 158 U.S. 186 - Орегон, особенно пункт 10.
^ Альсиатор, Дэвид Г. (январь 2006 г.). "Правило 90 ° TP 3.1" (PDF). Получено 2008-03-08.

внешняя ссылка

Трехмерное столкновение - Косое неупругое столкновение двух однородных сфер.
Одномерное столкновение - Одномерный флэш-апплет столкновения.
Двумерное столкновение - Двухмерный флэш-апплет столкновения.

[1] rriam-webster.com, "Allision ". Проверено 7 ноября 2014 г.

[2] «Адмиралтейский суд отклоняет правило равного деления и неравномерно распределяет убытки в случае столкновения множественной вины». Columbia Law Review. 63 (3): 554, сноска 1. Март 1963 г. JSTOR 1120603. Удар судном о неподвижный объект, такой как мост, технически именуемый «столкновение», а не «столкновение»..

[3] Талли, Уэйн К. (январь 1995 г.). «Инвестиции в безопасность и условия эксплуатации: факторы, определяющие стоимость повреждения пассажирского судна при аварии». Южный экономический журнал. 61 (3): 823, примечание 11. JSTOR 1061000. столкновение - судно столкнулось или столкнулось с другим судном на поверхности воды, или столкнулось с неподвижным объектом, а не с другим кораблем (столкновение).

[4] "Allision", Бесплатный словарь, получено 2018-08-28

[5] "Вы говорите" Столкновение ", я говорю" Allision; давайте разберемся во всем | response.restoring.noaa.gov ". response.restoring.noaa.gov. Получено 2018-08-28.

[6] Судья, ЭЛДОН Э. ФАЛЛОН, округ. "VANE LINE BUNKERING, INC. | Гражданский иск № 17-1882. | 20180222d82 | Leagle.com". Leagle. Получено 2018-08-28.

[7] Видеть 158 U.S. 186 - Орегон, особенно пункт 10.

[8] Альсиатор, Дэвид Г. (январь 2006 г.). "Правило 90 ° TP 3.1" (PDF). Получено 2008-03-08.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]