Введение
Случай, когда два или более тела физически контактируют друг с другом за короткий промежуток времени.
Физические модели
physics models
В физике, столкновением называется любое событие, в котором два или более тела оказывают друг на друга силы за относительно короткое время. Хотя в повседневном употреблении слово "столкновение" обычно относится к ситуациям, когда два или более объекта сталкиваются с большой силой, в научном контексте термин не подразумевает какой-либо величины силы.
Типы столкновений
Столкновение – это кратковременное взаимодействие между двумя или более телами одновременно, вызывающее изменение движения вовлеченных тел из-за внутренних сил, действующих между ними в течение этого взаимодействия. Столкновения связаны с силами (происходит изменение скорости). Величина разности скоростей непосредственно перед ударом называется скоростью сближения. Все столкновения сохраняют импульс. Различие между типами столкновений заключается в том, сохраняется ли также кинетическая энергия системы до и после столкновения. Столкновения бывают трех типов:
Perfectly inelastic collision. If most or all of the total kinetic energy is lost (dissipated as heat, sound, etc. or absorbed by the objects themselves), the collision is said to be inelastic; such collisions involve objects coming to a full stop. A "perfectly inelastic" collision (also called a "perfectly plastic" collision) is a limiting case of inelastic collision in which the two bodies coalesce after impact. An example of such a collision is a car crash, as cars crumple inward when crashing, rather than bouncing off of each other. This is by design, for the safety of the occupants and bystanders should a crash occur the frame of the car absorbs the energy of the crash instead. Inelastic collision. If most of the kinetic energy is conserved (i. e. the objects continue moving afterwards), the collision is said to be elastic. An example of this is a baseball bat hitting a baseball the kinetic energy of the bat is transferred to the ball, greatly increasing the ball's velocity. The sound of the bat hitting the ball represents the loss of energy. An inelastic collision is sometimes also called a plastic collision. Elastic collision If all of the total kinetic energy is conserved (i. e. no energy is released as sound, heat, etc. ), the collision is said to be perfectly elastic. Such a system is an idealization and cannot occur in reality, due to the second law of thermodynamics. The degree to which a collision is elastic or inelastic is quantified by the coefficient of restitution, a value that generally ranges between zero and one. A perfectly elastic collision has a coefficient of restitution of one; a perfectly inelastic collision has a coefficient of restitution of zero. The line of impact is the line that is collinear to the common normal of the surfaces that are closest or in contact during impact. This is the line along which internal force of collision acts during impact, and Newton's coefficient of restitution is defined only along this line. Collisions in ideal gases approach perfectly elastic collisions, as do scattering interactions of sub atomic particles which are deflected by the electromagnetic force. Some large scale interactions like the slingshot type gravitational interactions between satellites and planets are almost perfectly elastic.
Абсолютно неэластичное столкновение. Если большая часть или вся общая кинетическая энергия теряется (рассеивается в виде тепла, звука и т. д. или поглощается самими объектами), столкновение считается неэластичным; такие столкновения могут приводить к полной остановке объектов. Абсолютно неэластичное столкновение (также называемое абсолютно пластичным столкновением) – это предельный случай неэластичного столкновения, в котором два тела слипаются после удара. Примером такого столкновения является автомобильная авария, когда автомобили деформируются при столкновении, а не отскакивают друг от друга. Это сделано намеренно, для обеспечения безопасности пассажиров и окружающих – рама автомобиля поглощает энергию удара.
Perfectly inelastic collision. If most or all of the total kinetic energy is lost (dissipated as heat, sound, etc. or absorbed by the objects themselves), the collision is said to be inelastic; such collisions involve objects coming to a full stop. A "perfectly inelastic" collision (also called a "perfectly plastic" collision) is a limiting case of inelastic collision in which the two bodies coalesce after impact. An example of such a collision is a car crash, as cars crumple inward when crashing, rather than bouncing off of each other. This is by design, for the safety of the occupants and bystanders should a crash occur the frame of the car absorbs the energy of the crash instead. Inelastic collision. If most of the kinetic energy is conserved (i. e. the objects continue moving afterwards), the collision is said to be elastic. An example of this is a baseball bat hitting a baseball the kinetic energy of the bat is transferred to the ball, greatly increasing the ball's velocity. The sound of the bat hitting the ball represents the loss of energy. An inelastic collision is sometimes also called a plastic collision. Elastic collision If all of the total kinetic energy is conserved (i. e. no energy is released as sound, heat, etc. ), the collision is said to be perfectly elastic. Such a system is an idealization and cannot occur in reality, due to the second law of thermodynamics. The degree to which a collision is elastic or inelastic is quantified by the coefficient of restitution, a value that generally ranges between zero and one. A perfectly elastic collision has a coefficient of restitution of one; a perfectly inelastic collision has a coefficient of restitution of zero. The line of impact is the line that is collinear to the common normal of the surfaces that are closest or in contact during impact. This is the line along which internal force of collision acts during impact, and Newton's coefficient of restitution is defined only along this line. Collisions in ideal gases approach perfectly elastic collisions, as do scattering interactions of sub atomic particles which are deflected by the electromagnetic force. Some large scale interactions like the slingshot type gravitational interactions between satellites and planets are almost perfectly elastic.
Неэластичное столкновение. Если большая часть кинетической энергии сохраняется (то есть объекты продолжают двигаться после столкновения), столкновение считается упругим. Примером может служить удар бейсбольной битой по мячу – кинетическая энергия биты передается мячу, значительно увеличивая его скорость. Звук удара биты о мяч свидетельствует о потере энергии. Неэластичное столкновение иногда также называют пластичным столкновением.
Perfectly inelastic collision. If most or all of the total kinetic energy is lost (dissipated as heat, sound, etc. or absorbed by the objects themselves), the collision is said to be inelastic; such collisions involve objects coming to a full stop. A "perfectly inelastic" collision (also called a "perfectly plastic" collision) is a limiting case of inelastic collision in which the two bodies coalesce after impact. An example of such a collision is a car crash, as cars crumple inward when crashing, rather than bouncing off of each other. This is by design, for the safety of the occupants and bystanders should a crash occur the frame of the car absorbs the energy of the crash instead. Inelastic collision. If most of the kinetic energy is conserved (i. e. the objects continue moving afterwards), the collision is said to be elastic. An example of this is a baseball bat hitting a baseball the kinetic energy of the bat is transferred to the ball, greatly increasing the ball's velocity. The sound of the bat hitting the ball represents the loss of energy. An inelastic collision is sometimes also called a plastic collision. Elastic collision If all of the total kinetic energy is conserved (i. e. no energy is released as sound, heat, etc. ), the collision is said to be perfectly elastic. Such a system is an idealization and cannot occur in reality, due to the second law of thermodynamics. The degree to which a collision is elastic or inelastic is quantified by the coefficient of restitution, a value that generally ranges between zero and one. A perfectly elastic collision has a coefficient of restitution of one; a perfectly inelastic collision has a coefficient of restitution of zero. The line of impact is the line that is collinear to the common normal of the surfaces that are closest or in contact during impact. This is the line along which internal force of collision acts during impact, and Newton's coefficient of restitution is defined only along this line. Collisions in ideal gases approach perfectly elastic collisions, as do scattering interactions of sub atomic particles which are deflected by the electromagnetic force. Some large scale interactions like the slingshot type gravitational interactions between satellites and planets are almost perfectly elastic.
Упругое столкновение. Если вся общая кинетическая энергия сохраняется (то есть энергия не выделяется в виде звука, тепла и т. д.), столкновение считается абсолютно упругим. Такая система является идеализацией и не может существовать в реальности из-за второго закона термодинамики. Степень упругости или неэластичности столкновения количественно оценивается коэффициентом восстановления, значение которого обычно находится в диапазоне от нуля до единицы. Абсолютно упругое столкновение имеет коэффициент восстановления, равный единице; абсолютно неэластичное столкновение – коэффициент восстановления, равный нулю.
Perfectly inelastic collision. If most or all of the total kinetic energy is lost (dissipated as heat, sound, etc. or absorbed by the objects themselves), the collision is said to be inelastic; such collisions involve objects coming to a full stop. A "perfectly inelastic" collision (also called a "perfectly plastic" collision) is a limiting case of inelastic collision in which the two bodies coalesce after impact. An example of such a collision is a car crash, as cars crumple inward when crashing, rather than bouncing off of each other. This is by design, for the safety of the occupants and bystanders should a crash occur the frame of the car absorbs the energy of the crash instead. Inelastic collision. If most of the kinetic energy is conserved (i. e. the objects continue moving afterwards), the collision is said to be elastic. An example of this is a baseball bat hitting a baseball the kinetic energy of the bat is transferred to the ball, greatly increasing the ball's velocity. The sound of the bat hitting the ball represents the loss of energy. An inelastic collision is sometimes also called a plastic collision. Elastic collision If all of the total kinetic energy is conserved (i. e. no energy is released as sound, heat, etc. ), the collision is said to be perfectly elastic. Such a system is an idealization and cannot occur in reality, due to the second law of thermodynamics. The degree to which a collision is elastic or inelastic is quantified by the coefficient of restitution, a value that generally ranges between zero and one. A perfectly elastic collision has a coefficient of restitution of one; a perfectly inelastic collision has a coefficient of restitution of zero. The line of impact is the line that is collinear to the common normal of the surfaces that are closest or in contact during impact. This is the line along which internal force of collision acts during impact, and Newton's coefficient of restitution is defined only along this line. Collisions in ideal gases approach perfectly elastic collisions, as do scattering interactions of sub atomic particles which are deflected by the electromagnetic force. Some large scale interactions like the slingshot type gravitational interactions between satellites and planets are almost perfectly elastic.
Линия удара – это линия, коллинеарная общей нормали к поверхностям, которые находятся ближе всего друг к другу или соприкасаются во время удара. По этой линии действует внутренняя сила столкновения во время удара, и коэффициент восстановления Ньютона определяется только по этой линии. Столкновения в идеальных газах приближаются к абсолютно упругим столкновениям, как и рассеивающие взаимодействия субатомных частиц, отклоняемых электромагнитным взаимодействием. Некоторые крупномасштабные взаимодействия, такие как гравитационные взаимодействия типа "рогатка" между спутниками и планетами, почти абсолютно упруги.
Perfectly inelastic collision. If most or all of the total kinetic energy is lost (dissipated as heat, sound, etc. or absorbed by the objects themselves), the collision is said to be inelastic; such collisions involve objects coming to a full stop. A "perfectly inelastic" collision (also called a "perfectly plastic" collision) is a limiting case of inelastic collision in which the two bodies coalesce after impact. An example of such a collision is a car crash, as cars crumple inward when crashing, rather than bouncing off of each other. This is by design, for the safety of the occupants and bystanders should a crash occur the frame of the car absorbs the energy of the crash instead. Inelastic collision. If most of the kinetic energy is conserved (i. e. the objects continue moving afterwards), the collision is said to be elastic. An example of this is a baseball bat hitting a baseball the kinetic energy of the bat is transferred to the ball, greatly increasing the ball's velocity. The sound of the bat hitting the ball represents the loss of energy. An inelastic collision is sometimes also called a plastic collision. Elastic collision If all of the total kinetic energy is conserved (i. e. no energy is released as sound, heat, etc. ), the collision is said to be perfectly elastic. Such a system is an idealization and cannot occur in reality, due to the second law of thermodynamics. The degree to which a collision is elastic or inelastic is quantified by the coefficient of restitution, a value that generally ranges between zero and one. A perfectly elastic collision has a coefficient of restitution of one; a perfectly inelastic collision has a coefficient of restitution of zero. The line of impact is the line that is collinear to the common normal of the surfaces that are closest or in contact during impact. This is the line along which internal force of collision acts during impact, and Newton's coefficient of restitution is defined only along this line. Collisions in ideal gases approach perfectly elastic collisions, as do scattering interactions of sub atomic particles which are deflected by the electromagnetic force. Some large scale interactions like the slingshot type gravitational interactions between satellites and planets are almost perfectly elastic.
Бильярд
Столкновения играют важную роль в ки спорте. Поскольку столкновения между бильярдными шарами почти упругие, а шары катятся по поверхности с низким трением качения, их поведение часто используется для иллюстрации законов движения Ньютона. После упругого столкновения движущегося шара с неподвижным шаром равной массы, угол между направлениями движения двух шаров составляет 90 градусов. Это важный факт, который учитывают профессиональные игроки в бильярд, хотя он предполагает, что шар движется без влияния трения по столу, а не катится с трением. Рассмотрим упругое столкновение в двух измерениях любых двух масс m1 и m2, с соответствующими начальными скоростями u1 и u2, где u2 = 0, и конечными скоростями V1 и V2. Закон сохранения импульса дает m1u1 = m1V1 + m2V2. Закон сохранения энергии для упругого столкновения дает (1/2)m1|u1|² = (1/2)m1|V1|² + (1/2)m2|V2|². Теперь рассмотрим случай m1 = m2: мы получаем u1 = V1 + V2 и |u1|² = |V1|² + |V2|². Возводя в скалярное произведение обе части первого уравнения на себя, получаем |u1|² = u1•u1 = |V1|² + |V2|² + 2V1•V2. Сравнивая это со вторым уравнением, получаем V1•V2 = 0, следовательно, они перпендикулярны, если только V1 не является нулевым вектором (что происходит только при лобовом столкновении).
Движение животных
Столкновения стопы или лапы животного с опорной поверхностью обычно называются силами реакции опоры. Эти столкновения неэластичны, поскольку кинетическая энергия не сохраняется. Важной областью исследований в протезировании является количественная оценка сил, возникающих при контакте стопы с землей при ходьбе как людей с ограниченными возможностями, так и здоровых людей. Для такой оценки обычно требуется, чтобы испытуемые проходили по силовой платформе (иногда называемой "силовой пластиной"), а также проводился детальный кинематический и динамический (иногда называемый кинетическим) анализ.
Взрывы сверхскорости
Гиперскорость — это очень высокая скорость, примерно свыше 3000 метров в секунду (11 000 км/ч, 6700 миль в час, 10 000 футов в секунду или 8,8 Маха). В частности, гиперскорость — это скорость, настолько высокая, что прочность материалов при ударе становится очень малой по сравнению с инерционными напряжениями. В результате, металлы и жидкости ведут себя схожим образом при гиперскоростном ударе. Удар при экстремальной гиперскорости приводит к испарению как ударного тела, так и цели. Для конструкционных металлов гиперскоростью обычно считается скорость свыше 2500 м/с (5600 миль в час, 9000 км/ч, 8200 футов в секунду или 7,3 Маха). Метеоритные кратеры также являются примерами гиперскоростных ударов.