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撞车与“气功”表演

已有 6001 次阅读 2017-1-9 08:08 |个人分类:科学与生活|系统分类:科普集锦|关键词:学者| 自行车, 伤亡, 汽车, 破损, 弹性碰撞

撞车与“气功”表演

预测是很难的事情,二十年前,谁也不会想到中国满大街都是汽车。据公安部交管局统计,到2016年6月底,全国机动车保有量达2.85亿辆,其中汽车1.84亿辆。

满大街都是车,就难免撞车。汽车撞汽车,常常撞得面目全非,好好的车成了一堆零碎破烂。如果是汽车与自行车撞,一般来说,自行车总是吃亏的,不过,有时候汽车也会弄得不象样子。看看下面两张照片吧,都是汽车追尾,把自行车都嵌到汽车里面去了。


有的人会说,这汽车的质量实在太糟糕了,怎么会被自行车撞得这样狼狈?能不能把汽车造得结实些?省得一撞就破相。

把汽车造得更结实一些,大概是很容易的事情,前面的保险杠用钢材做得厚实些并不难,也不会增加多少成本,但是,汽车制造商并不这样做。是不是有点遗憾?

我不懂汽车,更不是汽车的业内人士,不过,凭我的常识判断,汽车设计成这样的不很结实自有它的道理。

我们在路上开车的目的是为了更快的达到目的地,而不是为了在路上撞着玩,或者跟什么人斗气,比谁的车更经撞,这是谁都知道的道理。既然要在路上开车,就不可避免地会撞车。虽然我们大家都不希望撞车,但是,撞车,或者说发生交通事故还是难以避免的。一旦撞车,最重要的事情是什么?不是考虑车是否损坏,而是避免对人的伤害,或者说,要把对人可能的伤害减小到最低的程度。我想,这是设计机动车时最重要的考虑之一。

我们想象,如果我们的汽车设计得特别结实,起码在前后有很厚实、坚硬的比如说钢铁制造的保险杠,来保护我们的汽车。还是像上面照片上所示那样,追尾了一辆自行车,结果会怎样呢?

如果汽车和自行车都特别结实,受力也不形变。追尾相撞时,就会接近与“弹性碰撞”。我们简单地用中学物理知识作一下碰撞的计算。

在甲乙两个物体发生弹性碰撞前后,整个体系的动量和动能都是守恒的。据此,很容易导得碰撞前两个物体的速度之差与碰撞后的速度之差大小相等,不过掉了一个个儿。

比如在汽车追尾自行车的情况下,如果发生追尾碰撞时汽车的速度为40公里/小时,自行车速度为10公里/小时,汽车的速度比自行车快30公里/小时。那么,在追尾之后,自行车的速度要比汽车要大30公里/小时。考虑到汽车比自行车重的多,碰撞后汽车的速度并不能下降很多。我们假定汽车(包括上面的载重)与自行车(包括骑车人)的重量之比为20:1,那么碰撞后汽车的速度下降到约37公里/小时,而自行车的速度会达到了67公里/小时(用体系的动量守恒和动能守恒分别列出两个方程,解这个方程组即可,相信所有的中学生都会做)。

在碰撞的一刹那的时间段内,实际的情况应该就是如此的,当然,条件就是汽车与自行车“硬碰硬”地碰。如果真的是这种情况,那么,那位骑自行车的人恐怕就要狠狠的麻烦了。无论什么人都经不起座下的自行车被从10公里/小时在一刹那间加速到67公里/小时的。他的惯性不可能使他还能够坐在自行车上,自行车将会撞得从他的胯下飞走,而他必定被汽车撞得粉身碎骨。

但是,如果汽车的前面并不“结实”,碰撞就不再是“弹性碰撞”,就像我们看到的如前面的两张照片所示的样子,汽车被撞坏了,自行车甚至嵌进了汽车里面。在这种条件下,情况就会有很大的不同,体系的动能不再守恒。汽车往前运动所具有的巨大动能并没有都传递给自行车,而是使得汽车和自行车两个物体的结构都遭到了破坏。这样的结果可能使得骑自行车的人受到的伤害较小。

这种过程的物理原理与我们常常可以看到的令人惊心动魄的“气功”表演基本上是一样的。下图是一个用锤子砸开放在人身上的大石头的“气功”表演。

这种“气功”表演的过程与上面所说的汽车撞自行车的过程实际上非常相似。那位躺在石板底下的人好比是汽车的驾驶员,石板就是汽车,那个锤子就相当于自行车。石板的质量远远大于锤子。锤子的动能主要用于将石板击碎,从而不会对石板下面的表演者产生大的伤害。两个过程不同的地方就在于上面是汽车撞自行车,现在是锤子撞石板。不过,从运动的相对性来看,它们都只是相对运动,把哪一个看成静止的,哪一个视为运动的,对于物理过程的结果并没有影响。

当然,汽车的设计是一桩非常复杂的事情。它要考虑的因素非常多,还有许多特殊的考虑,比如,如果要求对汽车内人员的安全作严格的保护,而忽略对外部人员的伤害,那就是另外一码事情,与本文所说的情况完全不同了。本文只是说,不结实也有不结实的用处,有时候汽车外部的适当损坏对于减少撞车所造成的人员伤亡是有利的。在下面照片所示的“气功”表演中,如果表演者头顶的不是容易破碎的红砖,而是一块砸不碎的小铁板,恐怕世界上就没有人敢于这样做了。

(本文图片均取自网络,谨向原作者致谢。)




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