التصادمات المرنة وغير المرنة

ما هو مفهوم التصادمات؟

يُطلق عليها أيضًا التأثير في الفيزياء، ويسمى الالتقاء المفاجئ والقوي معًا في اتصال مباشر بين جسدين، وعلى سبيل المثال، كرتا بلياردو، مضرب غولف وكرة، مطرقة ورأس مسمار، عربتان للسكك الحديدية عند اقترانهما معًا، أو سقوط كائن وأرض.

بصرف النظر عن خصائص المواد في الجسمين، هناك عاملان يؤثران على نتيجة التأثير: القوة والوقت الذي يكون فيه الجسمان على اتصال، وتعتبر مسألة خبرة شائعة أن كرة فولاذية صلبة سقطت على لوح فولاذي سوف ترتد إلى الموضع الذي سقطت منه تقريبًا.

بينما مع كرة المعجون أو الرصاص لا يوجد ارتداد، حيث يقال إن التأثير بين الكرة الفولاذية واللوحة يكون مرنًا، وأن الصدمة بين المعجون أو كرات الرصاص واللوحة غير مرنة أو بلاستيكية؛ بين هذين الطرفين توجد درجات متفاوتة من المرونة والاستجابات المقابلة للتأثير، ففي تأثير مرن تمامًا (يتم الوصول إليه فقط على المستوى الذري)، لا يتم فقد أي من الطاقة الحركية للأجسام المترابطة.

في جميع الأمثلة على الأجسام المتصادمة المشار إليها، يكون وقت التلامس قصير للغاية وقوة التلامس كبيرة للغاية، ويمكن إثبات أنه في الحالة المحدودة لقوة “لانهائية” تعمل لفترة زمنية “متناهية الصغر”، هناك تغيير فوري في سرعة الجسم ولكن لا يوجد تغيير في موضعه خلال فترة التلامس، وتُعرف القوى من هذا النوع بالقوى الاندفاعية، وصعوبة قياسها أو تقديرها، تُقاس آثارها بالتغير في الزخم (الكتلة مضروبة في السرعة) للجسم، حيث أن البندول الباليستي هو جهاز يعتمد على هذا المبدأ.

عندما يصطدم جسمان، فإن مجموع عزم الأجسام قبل الاصطدام يساوي مجموع العزم بعد التأثير، حيث تعتمد العلاقة بين الطاقات الحركية قبل وبعد التأثير، على مرونة الأجسام، وبمعرفة السرعات الأولية، يمكن الحصول على السرعات النهائية من خلال الحل المتزامن لمعادلات الزخم والطاقة في حالة التصادمات المرنة تمامًا.

الطاقة الحركية في التصادمات:

على الرغم من الحفاظ على الطاقة دائمًا، إلا أن الطاقة الحركية للجسم الساقط لا تتحول دائمًا بالكامل إلى الطاقة الحركية للجسمين بعد الاصطدام، على سبيل المثال إذا كانت الأجسام مجهرية (على سبيل المثال، ذرتان متطابقتان)، فقد يتسبب الاصطدام في إثارة واحدة أو كليهما في حالة طاقة داخلية أعلى مما بدأت به، ومثل هذا الحدث سيترك طاقة حركية أقل للذرات الخارجة.

في الواقع، من خلال دراسة مسارات المقذوفات الخارجة في تصادمات كهذه على وجه التحديد، يستطيع الفيزيائيون تحديد الحالات المثارة المحتملة للجسيمات المجهرية، أما في حالة الاصطدام بين الأجسام العيانية، يتم دائمًا تحويل بعض الطاقة الحركية إلى حرارة، حيث أن الحرارة هي طاقة الاهتزازات العشوائية للذرات والجزيئات التي تشكل الأجسام ومع ذلك، إذا كانت كمية الحرارة ضئيلة مقارنةً بالطاقة الحركية الأولية، فقد يتم تجاهلها، ويقال أن مثل هذا الاصطدام مرن.

بافتراض أن الاصطدام الموصوف أعلاه بين جسمين، كل منهما كتلة m، بين كرات البلياردو، وافترض أنها مرنة (تقريب جيد إلى حد معقول لكرات البلياردو الحقيقية)، والطاقة الحركية للكرة الساقطة تساوي مجموع الطاقات الحركية للكرات الخارجة، وتُعطى الطاقة الحركية لجسم متحرك بواسطة K = 1/2mv2، حيث v هي سرعة الكرة (تقنيًا، الطاقة المرتبطة بحقيقة أن الكرة تتدحرج)، ويمكن كتابة المعادلة بشكل مفيد p = mv.

كما أن الطاقة الحركية للتصادم في حالة الاصطدام غير المرن، لا يتم حفظ الطاقة الحركية، ويرجع فقدان الطاقة الحركية إلى الاحتكاك الداخلي، كما قد يتحول إلى طاقة اهتزازية للذرات، مما يتسبب في تأثير التسخين، وتشوه الأجسام، أما في حالة التصادم المرن التي تُعرف بأن أي تصادمات تنفصل فيها الأجسام المتصادمة بعد التصادم باسم التصادم المرن، سيتم الحفاظ على الطاقة الحركية.

التصادم المرن:

يُعرَّف التصادم المرن بأنه التصادم الذي يتم فيه ملاحظة الحفاظ على الزخم والحفاظ على الطاقة الحركية، وهذا يعني أنه لا توجد قوة تبديدية تعمل أثناء الاصطدام وأن كل الطاقة الحركية للأجسام قبل الاصطدام لا تزال في شكل طاقة حركية بعد ذلك، وبالنسبة للأجسام العيانية التي تتلامس في تصادم، هناك دائمًا بعض التبديد وهي ليست مرنة تمامًا أبدًا، وتكون التصادمات بين الكرات الفولاذية الصلبة كما هو الحال في جهاز الكرات المتأرجحة تكون مرنة تقريبًا.

“الاصطدامات” التي لا تلمس فيها الأجسام بعضها البعض، مثل نثر رذرفورد أو المدار المقلاع لقمر صناعي خارج كوكب، هي تصادمات مرنة، وفي حالة التشتت الذري أو النووي، تكون الاصطدامات مرنة عادةً لأن قوة كولوم الطاردة تحافظ على الجسيمات بعيدًا عن الاتصال ببعضها البعض، وتكون التصادمات في الغازات المثالية مرنة جدًا تقريبًا، وتُستخدم هذه الحقيقة في تطوير تعبيرات ضغط الغاز في الحاوية.

التصادمات غير المرنة:

التصادم غير المرن هو الذي يتم فيه تغيير جزء من الطاقة الحركية إلى شكل آخر من أشكال الطاقة في التصادم، حيث سيؤدي أي تصادم مجهري بين الأجسام إلى تحويل بعض الطاقة الحركية إلى طاقة داخلية وأشكال أخرى من الطاقة، لذلك لا توجد تأثيرات واسعة النطاق مرنة تمامًا، ويتم الحفاظ على الزخم في التصادمات غير المرنة، لكن لا يمكن تتبع الطاقة الحركية من خلال الاصطدام، حيث يتم تحويل بعضها إلى أشكال أخرى من الطاقة.

هناك أمثلة عديدة على الاصطدام غير المرن، حيث يقع معظم الاصطدام الذي نراه في حياتنا اليومية تحت تصادم غير مرن، وذلك مثل أن تسقط الكرة من ارتفاع معين ولا تستطيع الارتفاع إلى ارتفاعها الأصلي، وأيضا عندما يتم رمي كرة طينية ناعمة على الحائط، سوف تلتصق بالحائط، وكذلك حادث مركبتين سيارة تصطدم بشجرة.

التصادمات وتغير الزخم:

الزخم هو مصطلح شائع الاستخدام في الرياضة، فعندما يقول مذيع رياضي أن الفريق لديه الزخم، فإنهم يقصدون أن الفريق في حالة تحرك بالفعل وسيكون من الصعب إيقافه، ومصطلح الزخم هو مفهوم فيزيائي سيكون من الصعب إيقاف أي كائن لديه زخم، ويتطلب لإيقاف مثل هذا الكائن أن يتم استخدام القوة ضد حركته لفترة زمنية معينة، حيث كلما زاد الزخم الذي يمتلكه الجسم، كان من الصعب إيقافه، وبالتالي فإن الأمر يتطلب قدرًا أكبر من القوة أو قدرًا أطول من الوقت أو كليهما لإيقاف مثل هذا الكائن، ونظرًا لأن القوة تعمل على الجسم لفترة زمنية معينة، تتغير سرعة الجسم؛ وبالتالي يتغير زخم الكائن.

القوة المؤثرة لفترة زمنية معينة ستغير زخم الجسم، وبعبارة أخرى تعمل القوة غير المتوازنة دائمًا على تسريع الجسم – إما زيادة سرعته أو إبطائه، وإذا كانت القوة تعمل عكس حركة الجسم، فإنها تبطئ حركة الجسم، أما إذا كانت القوة تعمل في نفس اتجاه حركة الجسم، فإن القوة تزيد من سرعة الجسم، وفي كلتا الحالتين، ستغير القوة سرعة الجسم، وإذا تغيرت سرعة الجسم، فإن زخم الجسم يتغير.

تخضع فيزياء الاصطدامات لقوانين الزخم؛ ويتم التعبير عن قانون الزخم بمعادلة تُعرف المعادلة باسم معادلة تغيير الزخم النبضي، حيث يمكن التعبير عن القانون بهذه الطريقة: في حالة الاصطدام، يتعرض الجسم لقوة لفترة زمنية محددة ينتج عنها تغيير في الزخم، ونتيجة القوة المؤثرة في مقدار الوقت المحدد هي أن كتلة الجسم إما تتسارع أو تبطئ (أو تغير اتجاهها)، وبالتالي النبضة التي يمر بها الكائن تساوي التغيير في زخم الجسم فتكون المعادلة F • t = m • Δ v.