La physique d'une collision automobile

Lors d'un accident de voiture, l'énergie est transférée du véhicule vers ce qu'il heurte, que ce soit un autre véhicule ou un objet stationnaire. Ce transfert d'énergie, en fonction de variables qui modifient les états de mouvement, peut provoquer des blessures et endommager les voitures et les biens. L'objet qui a été heurté absorbera l'énergie poussée sur lui ou peut-être la restituera au véhicule qui l'a heurté. Se concentrer sur la distinction entre la force et l'énergie peut aider à expliquer la physique impliquée.

Force: entrer en collision avec un mur

Les accidents de voiture sont des exemples clairs du fonctionnement des lois du mouvement de Newton. Sa première loi du mouvement, également appelée loi de l'inertie, affirme qu'un objet en mouvement restera en mouvement à moins qu'une force extérieure n'agisse sur lui. Inversement, si un objet est au repos, il le restera jusqu'à ce qu'une force déséquilibrée agisse sur lui. 

Considérons une situation dans laquelle la voiture A entre en collision avec un mur statique et incassable. La situation commence avec la voiture A se déplaçant à une vitesse (v) et, en entrant en collision avec le mur, se terminant par une vitesse de 0. La force de cette situation est définie par la deuxième loi de Newton du mouvement, qui utilise l'équation de la force égale à la masse multipliée par l'accélération. Dans ce cas, l'accélération est (v - 0) / t, où t est le temps qu'il faut à la voiture A pour s'arrêter.

La voiture exerce cette force en direction du mur, mais le mur, qui est statique et incassable, exerce une force égale sur la voiture, selon la troisième loi de mouvement de Newton. Cette force égale est ce qui fait que les voitures s'accordent pendant les collisions.

Il est important de noter qu'il s'agit d'un modèle idéalisé. Dans le cas de la voiture A, si elle claque dans le mur et s'arrête immédiatement, ce serait une collision parfaitement inélastique. Étant donné que le mur ne se brise pas ou ne bouge pas du tout, la pleine force de la voiture dans le mur doit aller quelque part. Soit le mur est si massif qu'il accélère, ou se déplace d'une quantité imperceptible, soit il ne bouge pas du tout, auquel cas la force de la collision agit sur la voiture et la planète entière, cette dernière étant évidemment si massif que les effets sont négligeables.

Force: entrer en collision avec une voiture

Dans une situation où la voiture B entre en collision avec la voiture C, nous avons des considérations de force différentes. En supposant que la voiture B et la voiture C sont des miroirs complets l'une de l'autre (encore une fois, c'est une situation hautement idéalisée), elles entreraient en collision l'une avec l'autre à la même vitesse mais dans des directions opposées. De la conservation de l'élan, nous savons qu'ils doivent tous deux se calmer. La masse est la même, par conséquent, la force subie par la voiture B et la voiture C est identique, et également identique à celle agissant sur la voiture dans le cas A dans l'exemple précédent.

Cela explique la force de la collision, mais il y a une deuxième partie de la question: l'énergie dans la collision.

Énergie

La force est une quantité vectorielle tandis que l'énergie cinétique est une quantité scalaire, calculée avec la formule K = 0,5 mv². Dans la deuxième situation ci-dessus, chaque voiture a une énergie cinétique K directement avant la collision. À la fin de la collision, les deux voitures sont au repos et l'énergie cinétique totale du système est de 0.

Comme ce sont des collisions inélastiques, l'énergie cinétique n'est pas conservée, mais l'énergie totale est toujours conservée, donc l'énergie cinétique "perdue" dans la collision doit se convertir sous une autre forme, comme la chaleur, le son, etc..

Dans le premier exemple où une seule voiture se déplace, l'énergie libérée pendant la collision est K. Dans le deuxième exemple, cependant, deux sont des voitures qui se déplacent, donc l'énergie totale libérée pendant la collision est de 2K. Donc, le crash dans le cas B est clairement plus énergique que le cas A crash.

Des voitures aux particules

Considérez les principales différences entre les deux situations. Au niveau quantique des particules, l'énergie et la matière peuvent essentiellement basculer entre les états. La physique d'une collision de voiture n'émettra jamais, quelle que soit son énergie, une voiture complètement nouvelle.

La voiture subirait exactement la même force dans les deux cas. La seule force qui agit sur la voiture est la décélération soudaine de la vitesse v à 0 dans un court laps de temps, en raison de la collision avec un autre objet.

Cependant, lors de la visualisation de l'ensemble du système, la collision dans la situation avec deux voitures libère deux fois plus d'énergie que la collision avec un mur. C'est plus fort, plus chaud et probablement plus désordonné. Selon toute vraisemblance, les voitures se sont fusionnées, des morceaux volant dans des directions aléatoires.

C'est pourquoi les physiciens accélèrent les particules d'un collisionneur pour étudier la physique des hautes énergies. L'acte de collision de deux faisceaux de particules est utile parce que dans les collisions de particules, vous ne vous souciez pas vraiment de la force des particules (que vous ne mesurez jamais vraiment); vous vous souciez plutôt de l'énergie des particules.

Un accélérateur de particules accélère les particules mais le fait avec une limitation de vitesse très réelle dictée par la vitesse de la barrière photoélectrique issue de la théorie de la relativité d'Einstein. Pour extraire un peu d'énergie supplémentaire des collisions, au lieu de heurter un faisceau de particules proches de la vitesse de la lumière avec un objet stationnaire, il est préférable de le heurter avec un autre faisceau de particules proches de la vitesse de la lumière allant dans la direction opposée.

Du point de vue de la particule, elles ne "brisent plus", mais lorsque les deux particules entrent en collision, plus d'énergie est libérée. Dans les collisions de particules, cette énergie peut prendre la forme d'autres particules et plus vous tirez d'énergie de la collision, plus les particules sont exotiques.