piątek, 16 października 2009

Nowa fizyka - c.d.

Ostatnio opisałem zderzak, który powoduje 'przepływanie' pędu (p=m*V) rozpędzonego obiektu na inny obiekt. Doświadczenie tego typu jest znane fizykom. Poniżej rysunek pokazujący zderzanie się sprężyste kulek, pochodzący ze strony Jakuba Wróblewskiego (rys.1):


Zderzak, kiedy został zaprezentowany wiele lat temu, wzbudził sporo kontrowersji, dochodziło do sporów pomiędzy teoretykami próbującymi wykazać, że jego działanie jest niemożliwe a praktykami, którzy widzieli działanie zderzaka.
Poza stekiem bzdur, wysuwanych przez teoretyków, mają oni jeden poważny argument. Skoro następuje zmiana prędkości (wyhamowanie) człowieka, to zgodnie z II Zasadą Dynamiki Newtona powinno działać na człowieka przeciążenie (a=F/m). Tak to już jest, jak się zakuwa na pamięć szkolne regułki, nie dochodząc, skąd się wzięły. Tak, panowie sceptycy, prawa dynamiki Newtona wielokrotnie wykazały swoją swoją słuszność, ale już niemal stulecie temu zostały tak jakby obalone przez mechanikę relatywistyczną.
Współczesna, uogólniona druga zasada dynamiki stwierdza, że "zmiana pędu ciała jest proporcjonalna do działającej siły wypadkowej".
Cóż to oznacza? Jeśli pęd ciała zostałby przekazany w całości innemu obiektowi, to na ciało nie działałaby siła wypadkowa. Wydaje się to dziwne i sprzeczne ze "zdrowym rozsądkiem", jak wiele zresztą ustaleń fizyki, począwszy od jednakowej prędkości spadania worka pierza i ołowiu (na ołów grawitacja działa większą siłą, więc powinien osiągać większą prędkość spadania).
Druga zasada dynamiki wynika z zasady zachowania pędu, a ta z kolei z zasady zachowania energii, która musi być spełniona w układach mechanicznych (co innego w fizyce kwantowej). Kto przeżył te nudne wyprowadzanie wzorów na lekcjach fizyki, teraz już wie, po co to było. By zrozumieć niektóre zjawiska, nie wystarczy pamiętać tylko gotowych wniosków.

Powyższy rysunek pokazuje, że pęd jednej kulki jest przekazywany drugiej w całości. Skoro tak, to jakim cudem miałoby dochodzić do przeciążeń pierwszej kulki? Skąd wzięłaby się na to energia, skoro poszła sobie do drugiej? Na rysunku pokazany jest pojemniczek z wodą, która nie wyleje się podczas uderzenia. Można oczywiście zastosować akcelerometr (czujnik przyspieszenia).
Na 'zdrowy rozsądek' też da się wytłumaczyć. Wystarczy zauważyć, że w chwili uderzenia nie mamy do czynienia z kilkoma obiektami, lecz z jednym, kulki stanowią całość. Nie są niczym ze sobą przymocowane, ale to nie ma znaczenia, w tej jednej chwili uderzenia są jednym obiektem.

Mało kto wie, że zasady podobne do działania zderzaka Łągiewki są od dawna stosowane w... motoryzacji. Pierwsza była firma Volvo.
O ile udawało się jakoś pochłonąć energię uderzenia czołowego, sytuacja ze zderzeniami bocznymi była o wiele gorsza. Nie można było zastosować bocznych stref zgniotu, ze względu na niewielkie odległości.
Z analizy tych wypadków wynikało natomiast, że ludzie wychodzili z nich bez widocznych obrażeń, dopiero kilka dni później nagle słabli i umierali. Sekcje zwłok wykazywały, że zgon następował w wyniku obrzęku mózgu.
Volvo zastosowało ciekawą konstrukcję nadwozia, która odprowadzała energię z miejsca uderzenia na inne części karoserii. To powodowało znaczne zmniejszenie przeciążeń działających na pasażerów. Jak podejrzewam, ta sztuczka jest powszechnie stosowana przy konstrukcji karoserii samochodowych, bo jest znana gdzieś od lat osiemdziesiątych.
Każdy zauważył, że samochody cechują się różnym stopniem bezpieczeństwa biernego (przy zderzeniach). Organizacja Euro NCAP przyznaje po crash-testach słynne gwiazdki. Ilość przyznanych gwiazdek (w praktyce od 3 do 5) wynika głównie z pomiarów przeciążeń. Zaraz, skoro samochody mają strefy zgniotu mniej więcej tej samej wielkości, więc zmiana szybkości następuje na właściwie tej samej długości, to skąd znaczne rozbieżności w pomiarach siły?
A już samochody Formuły 1 to całkiem zdają się przeczyć prawom fizyki - tam odkształcenia karoserii przy uderzeniach wynoszą nie metry, a pojedyncze centymetry. Przy ogromnych prędkościach pojazd rozpada się w pył, zostaje tylko nienaruszona kabina kierowcy, który wychodzi bez szwanku.

--- dodano 18 października 2009 ---
By zrozumieć działanie zderzaka z punktu widzenia mechaniki lub fizyki, należy się zastanowić, gdzie są inercjalne i nieinercjalne układy odniesienia. Czyli, gdzie działają siły sprawiając, że układ jest nieinercjalny i dzięki przyspieszeniu pojawia się bezwładność.
Przywykliśmy, że w uderzającym w coś samochodzie działają siły, więc dochodzi do przeciążeń. Wynalazek Łągiewki sprawia, że siła jest zamieniana na ruch obrotowy elementu zderzaka. Czyli w uderzającym samochodzie nie działa siła, więc... jest układem inercjalnym, nie ma w nim bezwładności. To nie jest złamanie praw Newtona, tylko ich sprytne obejście.
Energia uderzenia nie ucieka w nicość, jest kumulowana w wirującym elemencie.
Osobiście uważam, że zastosowanie tego wynalazku jest dosyć ograniczone i raczej nie nadaje się do zastosowań w motoryzacji ze względu na wymiary, masę i ograniczoną zdolność wchłaniania energii. Uderzenie przy zbyt wysokiej prędkości zmagazynowałoby tak dużą energię, że wirujący element mógłby zostać rozerwany, co stanowiłoby niebezpieczeństwo dla osób postronnych. Zderzak taki nie jest też skuteczny przy uderzeniach pod kątem.
Lecz zasada działania może okazać się przydatna w innych zastosowaniach. Szkoda, że opis pędnika nie został opublikowany.

2 komentarze:

gemini pisze...

Napisales ze "zmiana pędu ciała jest proporcjonalna do działającej siły wypadkowej". Nastepnie wnioskujesz ze poniewaz ped zostal przekazany w calosci innemu obiektowi to na cialo nie dziala sila. Z powyzszego cytatu winika jednak cos innego. Jezeli ped pierwszego ciala w czasie t>0 zmalal od P=P1 do P=0 to sila powinna byc maksymalna, bo jezeli ped zostal przekazany drugiemu cialu to pierwsze cialo ma po zdarzeniu ped=0.Zmiana jest maksymalna wedlug tej zasady, wiec i sila jest maksymalna dla czasu zdarzenia t>0. Pozdrawiam

MaRa pisze...

Paradoks w tym, że nie ma żadnego "pędu". Pęd to masa razy prędkość, ale prędkość względem czego? Kulka nie styka się ze światem zewnętrznym, więc nie można mówić o pędzie w stosunku do świata zewnętrznego.