В физике столкновение — это любое событие, при котором два или более тел оказывают друг на друга силы за относительно короткое время. Хотя чаще всего слово столкновение относится к случаям, когда два или более объектов сталкиваются с большой силой, научное использование этого термина ничего не подразумевает о величине силы.
Столкновение — это кратковременное взаимодействие между двумя телами или более чем двумя телами одновременно, вызывающее изменение движения участвующих тел за счет внутренних сил, действовавших между ними при этом. В столкновениях участвуют силы (происходит изменение скорости). Величина разницы скоростей непосредственно перед ударом называется скоростью сближения. Все столкновения сохраняют импульс. Что отличает разные типы столкновений, так это то, сохраняют ли они также кинетическую энергию системы до и после столкновения. Столкновения бывают трёх типов:
Степень упругости или неупругости столкновения количественно определяется коэффициентом восстановления, значение которого обычно колеблется от нуля до единицы. Совершенно упругое столкновение имеет коэффициент восстановления, равный единице; совершенно неупругое столкновение имеет коэффициент восстановления, равный нулю. Линия удара — это линия, коллинеарная общей нормали поверхностей, находящихся ближе всего или соприкасающихся во время удара. Это линия, по которой действует внутренняя сила столкновения при ударе, и коэффициент восстановления Ньютона определяется только по этой линии.
Столкновения в идеальных газах приближаются к абсолютно упругим столкновениям, как и рассеивающие взаимодействия субатомных частиц, которые отклоняются электромагнитной силой. Некоторые крупномасштабные взаимодействия, такие как гравитационные взаимодействия типа рогатки между спутниками и планетами, являются почти идеально упругими.
Столкновения играют важную роль в бильярдном 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 столкновения движущегося шара с неподвижным шаром равной массы без трения угол между направлениями двух шаров равен 90 градусов. Это важный факт, который принимают во внимание профессиональные игроки в бильярд, хотя он предполагает, что шар движется по столу без какого-либо трения, а не катится с трением.
Рассмотрим упругое столкновение в двух измерениях любых двух масс m1 и m2 с соответствующими начальными скоростями < b>u1 и u2, где u2 = 0 и конечные скорости V1 и V2.
Сохранение импульса дает m1u1 = m1< /sub>В1 + м2В2.
Сохранение энергии при упругом столкновении дает (1/2)m1|u1| 2 = (1/2)м1|В1|2< /sup> + (1/2)m2|В2|2.
Теперь рассмотрим случай m1 = m2: мы получаем u1 = V1 + V2 и |u 1|2 = |В1|2 + |В 2|2.
Если взять скалярное произведение каждой части первого уравнения само на себя, то |u1|2 = u< sub>1•u1 = |V1|2 + |В2|2 + 2В1• В2. Сравнивая это с последним уравнением, получаем V1•V2 = 0, поэтому они перпендикулярны, если только V1 – нулевой вектор (который возникает тогда и только тогда, когда столкновение произошло лобовое).
При идеально неупругом столкновении, т. е. при нулевом коэффициенте восстановления, сталкивающиеся частицы сливаются. Необходимо учитывать сохранение импульса:
где v — конечная скорость, которая, следовательно, определяется выражением
Уменьшение полной кинетической энергии равно полной кинетической энергии до столкновения в системе отсчета центра импульса относительно системы из двух частиц, потому что в такой системе отсчета кинетическая энергия после столкновения равна нулю. В этой системе отсчета большая часть кинетической энергии до столкновения принадлежит частице с меньшей массой. В другой системе отсчета, помимо уменьшения кинетической энергии, может происходить передача кинетической энергии от одной частицы к другой; тот факт, что это зависит от системы отсчета, показывает, насколько это относительно.
При обратном времени мы имеем ситуацию двух объектов, отталкиваемых друг от друга, например, выстрел снарядом или ракетой, применяющей тягу (сравните вывод уравнения Циолковского для ракеты).
Столкновения ступни или лапы животного с нижележащим субстратом обычно называют силами реакции земли. Эти столкновения неупругие, поскольку кинетическая энергия не сохраняется. Важной темой исследований в области протезирования является количественная оценка сил, возникающих во время столкновений стопы с землей, связанных как с ограниченной, так и с неинвалидной походкой. Эта количественная оценка обычно требует, чтобы испытуемые прошли через силовую платформу (иногда называемую «силовой пластиной»), а также подробный кинематический и динамический (иногда называемый кинетическим) анализ.
Гиперскорость — это очень высокая скорость, примерно более 3000 метров в секунду (11 000 км/ч, 6 700 миль в час, 10 000 футов/с или 8,8 Маха). В частности, гиперскорость — это скорость настолько высокая, что прочность материалов при ударе очень мала по сравнению с инерционными напряжениями. Таким образом, металлы и жидкости ведут себя одинаково при сверхскоростном воздействии. Удар с предельной сверхскоростью приводит к испарению ударника и мишени. Для конструкционных металлов сверхскорость обычно считается более 2500 м/с (5600 миль в час, 9000 км/ч, 8200 футов/с или 7,3 Маха). Метеоритные кратеры также являются примерами сверхскоростных ударов.