تصادم

في الفيزياء ، التصادم هو أي حدث يفرض فيه جسمان أو أكثر قوى على بعضهما البعض في وقت قصير نسبيًا. وعلى الرغم من أن الاستخدام الأكثر شيوعًا لكلمة تصادم يشير إلى الحوادث التي يصطدم فيها جسمان أو أكثر بقوة كبيرة، فإن الاستخدام العلمي للمصطلح لا يعني شيئًا عن حجم القوة. ^[1]

التصادم هو تفاعل قصير الأمد بين جسمين أو أكثر من جسمين في وقت واحد مما يتسبب في تغيير في حركة الأجسام المعنية بسبب القوى الداخلية المؤثرة بينهما أثناء ذلك. تتضمن التصادمات قوى (هناك تغيير في السرعة ). يسمى مقدار فرق السرعة قبل الاصطدام مباشرة بالسرعة الختامية . تحافظ جميع التصادمات على الزخم . ما يميز أنواع التصادمات المختلفة هو ما إذا كانت تحافظ أيضًا على الطاقة الحركية للنظام قبل وبعد التصادم. التصادمات من نوعين:

1. التصادم المرن إذا تم الحفاظ على إجمالي الطاقة الحركية (أي لا يتم إطلاق أي طاقة على شكل صوت أو حرارة وما إلى ذلك)، يقال إن التصادم مرن تمامًا . مثل هذا النظام هو مثال مثالي ولا يمكن أن يحدث في الواقع، بسبب القانون الثاني للديناميكا الحرارية .
2. الاصطدام غير المرن . إذا فقدت معظم أو كل الطاقة الحركية الكلية ( تبددت على شكل حرارة أو صوت أو ما إلى ذلك أو امتصتها الأجسام نفسها)، يُقال إن الاصطدام غير مرن ؛ تتضمن مثل هذه الاصطدامات توقف الأجسام تمامًا. ومن الأمثلة على ذلك مضرب بيسبول يضرب كرة بيسبول - تنتقل الطاقة الحركية للمضرب إلى الكرة، مما يزيد من سرعة الكرة بشكل كبير. يمثل صوت المضرب الذي يضرب الكرة فقدان الطاقة. الاصطدام "غير المرن تمامًا" (يُسمى أيضًا الاصطدام "البلاستيكي تمامًا") هو حالة محدودة من الاصطدام غير المرن حيث يندمج الجسمانبعد الاصطدام. ومن الأمثلة على مثل هذا الاصطدام حادث سيارة، حيث تنهار السيارات إلى الداخل عند الاصطدام، بدلاً من الارتداد عن بعضها البعض. هذا عن طريق التصميم ، من أجل سلامة الركاب والمارة في حالة وقوع حادث - يمتص هيكل السيارة طاقة الاصطدام بدلاً من ذلك.

تُقاس درجة مرونة أو عدم مرونة التصادم بمعامل الإرجاع ، وهي قيمة تتراوح عمومًا بين الصفر والواحد. التصادم المرن تمامًا له معامل إرجاع يساوي واحدًا؛ والتصادم غير المرن تمامًا له معامل إرجاع يساوي صفرًا. خط التأثير هو الخط الذي يكون على استقامة واحدة مع العمودي المشترك للأسطح الأقرب أو التي تكون على اتصال أثناء التأثير. هذا هو الخط الذي تعمل على طوله القوة الداخلية للتصادم أثناء التأثير، ويتم تعريف معامل الإرجاع لنيوتن على طول هذا الخط فقط.

تقترب الاصطدامات في الغازات المثالية من الاصطدامات المرنة تمامًا، كما هو الحال مع تفاعلات التشتت للجسيمات دون الذرية التي تنحرف بفعل القوة الكهرومغناطيسية . بعض التفاعلات واسعة النطاق مثل تفاعلات الجاذبية من نوع المقلاع بين الأقمار الصناعية والكواكب تكون مرنة تمامًا تقريبًا.

تلعب الاصطدامات دورًا مهمًا في رياضات الإشارة . نظرًا لأن الاصطدامات بين كرات البلياردو مرنة تقريبًا ، وتتدحرج الكرات على سطح ينتج احتكاكًا متدحرجًا منخفضًا ، غالبًا ما يستخدم سلوكها لتوضيح قوانين نيوتن للحركة . بعد اصطدام كرة متحركة مع كرة ثابتة ذات كتلة متساوية بدون احتكاك، تكون الزاوية بين اتجاهي الكرتين 90 درجة. هذه حقيقة مهمة يأخذها لاعبو البلياردو المحترفون في الاعتبار، ^[2] على الرغم من أنها تفترض أن الكرة تتحرك دون أي تأثير للاحتكاك عبر الطاولة بدلاً من التدحرج مع الاحتكاك. ضع في اعتبارك تصادمًا مرنًا في بعدين لأي كتلتين m _a و m _b ، بسرعات أولية على التوالي v _a1 و v _b1 حيث v _b1 = 0 ، وسرعات نهائية v _a2 و v _b2 . يعطي قانون حفظ الزخم m _a v _a1 = m _a v _a2 + m _b v _b2 . يعطي قانون حفظ الطاقة للتصادم المرن (1/2) m _a | v _a1 | ² = (1/2) م _أ | ف _أ2 | ² + (1/2) م _ب | ف _ب 2 | ² . الآن، لننظر في الحالة م _أ = م _ب : نحصل على ف _أ1 = ف _أ2 + ف _ب2 و | ف _أ1 | ² = | ف _أ2 | ² + | ف _ب2 | ² . وبأخذ حاصل الضرب النقطي لكل جانب من المعادلة السابقة مع نفسها، | ف _أ1 | ² = ف _أ1 • ف _أ1 = | ف _أ2 | ² + | ف _ب2 | ² + 2 ف _أ2 • ف _ب2 . وبمقارنة هذا بالمعادلة الأخيرة نحصل على ف _أ2 • ف_b2 = 0، لذا فهما متعامدان ما لم يكن v _a2 هو المتجه الصفري (الذي يحدث إذا وفقط إذا كان الاصطدام وجهاً لوجه).

في تصادم غير مرن مثالي ، أي عندما يكون معامل الإرجاع صفرًا ، تتحد الجسيمات المتصادمة . باستخدام قانون حفظ الزخم:

${\displaystyle m_{a}\mathbf {v} _{a1}+m_{b}\mathbf {v} _{b1}=\left(m_{a}+m_{b}\right)\mathbf {v} _{2},}$

السرعة النهائية تعطى بواسطة

${\displaystyle \mathbf {v} _{2}={\frac {m_{a}\mathbf {v} _{a1}+m_{b}\mathbf {v} _{b1}}{m_{a} +م_{ب}}}.}$

إن انخفاض الطاقة الحركية الكلية يساوي إجمالي الطاقة الحركية قبل الاصطدام في إطار مركز الزخم بالنسبة لنظام جسيمين، لأنه في مثل هذا الإطار تكون الطاقة الحركية بعد الاصطدام صفرًا. في هذا الإطار تكون معظم الطاقة الحركية قبل الاصطدام هي طاقة الجسيم ذي الكتلة الأصغر. في إطار آخر، بالإضافة إلى انخفاض الطاقة الحركية، قد يكون هناك نقل للطاقة الحركية من جسيم إلى آخر؛ وحقيقة أن هذا يعتمد على الإطار تُظهر مدى نسبية هذا. مع عكس الوقت، لدينا موقف جسمين يتم دفعهما بعيدًا عن بعضهما البعض، على سبيل المثال إطلاق مقذوف ، أو صاروخ يطبق قوة دفع (قارن اشتقاق معادلة صاروخ تسيولكوفسكي ).

تُعرف تصادمات قدم الحيوان أو مخالبه بالركيزة الأساسية عمومًا بقوى رد فعل الأرض. هذه التصادمات غير مرنة، حيث لا يتم الحفاظ على الطاقة الحركية. يعد تحديد كمية القوى المتولدة أثناء تصادم القدم بالأرض المرتبطة بمشي المعوقين وغير المعوقين أحد موضوعات البحث المهمة في مجال الأطراف الاصطناعية . يتطلب هذا التحديد عادةً أن يمشي الأشخاص عبر منصة قوة ( يُطلق عليها أحيانًا "لوحة القوة") بالإضافة إلى تحليل حركي وديناميكي مفصل (يُطلق عليه أحيانًا التحليل الحركي).

السرعة الفائقة هي سرعة عالية جدًا ، تزيد عن 3000 متر في الثانية تقريبًا (11000 كم/س، 6700 ميل/س، 10000 قدم/ث، أو ماخ 8.8). وعلى وجه الخصوص، السرعة الفائقة هي سرعة عالية جدًا لدرجة أن قوة المواد عند الاصطدام تكون صغيرة جدًا مقارنة بالإجهادات بالقصور الذاتي . ^[3] وبالتالي، تتصرف المعادن والسوائل على حد سواء تحت تأثير السرعة الفائقة . يؤدي الاصطدام تحت السرعة الفائقة القصوى إلى تبخر الجسم والهدف. بالنسبة للمعادن الهيكلية، تعتبر السرعة الفائقة عمومًا أكثر من 2500 متر/ث (5600 ميل/س، 9000 كم/س، 8200 قدم/ث، أو ماخ 7.3). كما تعد فوهات النيازك أمثلة على تأثيرات السرعة الفائقة.

• تولمان، ر.ك. (1938). مبادئ الميكانيكا الإحصائية. أكسفورد: مطبعة كلارندون.أعيد إصداره (1979) نيويورك: دوفر ISBN 0-486-63896-0 . 

• تصادم ثلاثي الأبعاد - تصادم غير مرن مائل بين كرتين متجانستين.
• تصادم أحادي البعد - برنامج فلاش للتصادم أحادي البعد.
• تصادم ثنائي الأبعاد - برنامج فلاش لتصادم ثنائي الأبعاد.