Trong một vụ va chạm ô tô, năng lượng được “truyền” từ xe sang bất cứ thứ gì nó đâm phải, có thể là một chiếc xe khác hoặc một vật đứng yên. Việc “sang tên” năng lượng này, tùy thuộc vào các yếu tố “biến hóa” trạng thái chuyển động, có thể gây ra thương tích, hư hỏng xe cộ và tài sản. Vật bị đâm sẽ hoặc là “hấp thụ” năng lượng, hoặc có thể “bật” lại năng lượng đó cho xe đã đâm nó. Tập trung vào sự khác biệt giữa lực và năng lượng có thể giúp giải thích vật lý va chạm ô tô.
Lực: Khi “Húc” vào Tường
Va chạm ô tô là ví dụ rõ ràng về cách Định luật Chuyển động của Newton hoạt động. Định luật đầu tiên của ông, còn được gọi là định luật quán tính (law of inertia), khẳng định rằng một vật đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động trừ khi có một lực bên ngoài tác động lên nó. Ngược lại, nếu một vật đứng yên, nó sẽ vẫn đứng yên cho đến khi có một lực không cân bằng tác động lên nó.
Hãy xem xét tình huống xe A “húc” vào một bức tường tĩnh, không thể phá vỡ. Tình huống bắt đầu với việc xe A đang chạy với vận tốc (v) và, khi “va” vào tường, kết thúc với vận tốc bằng 0. Lực của tình huống này được xác định bởi định luật chuyển động thứ hai của Newton, sử dụng phương trình lực bằng khối lượng nhân với gia tốc. Trong trường hợp này, gia tốc là (v – 0)/t, trong đó t là thời gian để xe A dừng lại.
Xe tác dụng lực này theo hướng của bức tường, nhưng bức tường, vốn đứng yên và không thể phá vỡ, sẽ “bật” lại một lực bằng như vậy lên xe, theo định luật chuyển động thứ ba của Newton. Chính lực bằng nhau này khiến xe bị “dồn toa” (accordion up) khi va chạm.
Điều quan trọng cần lưu ý là đây là một mô hình lý tưởng hóa. Trong trường hợp xe A, nếu nó đâm sầm vào tường và dừng lại ngay lập tức, đó sẽ là một va chạm hoàn toàn không đàn hồi (perfectly inelastic collision). Vì bức tường không vỡ hay di chuyển, toàn bộ lực của xe tác động vào tường phải “đi đâu đó”. Hoặc là bức tường quá “khủng” đến mức nó gia tốc hoặc di chuyển một lượng không đáng kể, hoặc là nó không di chuyển, trong trường hợp đó, lực va chạm tác động lên xe và toàn bộ hành tinh, mà rõ ràng là quá lớn đến mức các tác động là không đáng kể.
Lực: Khi Hai Xe “Húc nhau”
Trong tình huống xe B “đối đầu” với xe C, chúng ta có những yếu tố lực khác cần xem xét. Giả sử rằng xe B và xe C giống hệt nhau (một lần nữa, đây là một tình huống rất lý tưởng), chúng sẽ “chạm trán” ở cùng tốc độ nhưng ngược chiều. Theo định luật bảo toàn động lượng (conservation of momentum), cả hai xe phải dừng lại. Khối lượng là như nhau, do đó, lực mà xe B và xe C “hứng chịu” là giống hệt nhau, và cũng giống hệt với lực tác dụng lên xe trong trường hợp A ở ví dụ trước.
Điều này giải thích lực của vụ va chạm, nhưng có một phần thứ hai của câu hỏi: năng lượng trong vụ va chạm.
Năng lượng
Lực là một đại lượng vectơ (vector quantity) trong khi động năng (kinetic energy) là một đại lượng vô hướng (scalar quantity), được tính bằng công thức K = 0,5mv². Trong tình huống thứ hai ở trên, mỗi xe có động năng K ngay trước khi va chạm. Khi kết thúc va chạm, cả hai xe đều đứng yên và tổng động năng của hệ bằng 0.
Vì đây là những va chạm không đàn hồi (inelastic collisions), động năng không được bảo toàn, nhưng tổng năng lượng luôn được bảo toàn, vì vậy động năng “mất đi” trong vụ va chạm phải chuyển thành một dạng khác, chẳng hạn như nhiệt, âm thanh, v.v.
Trong ví dụ đầu tiên, nơi chỉ có một xe chuyển động, năng lượng giải phóng trong quá trình va chạm là K. Tuy nhiên, trong ví dụ thứ hai, có hai xe chuyển động, vì vậy tổng năng lượng giải phóng trong quá trình va chạm là 2K. Vì vậy, vụ va chạm trong trường hợp B “mạnh” hơn vụ va chạm trong trường hợp A.
Từ Ô tô đến Hạt (Particles)
Hãy xem xét sự khác biệt chính giữa hai tình huống. Ở cấp độ lượng tử (quantum level) của các hạt, năng lượng và vật chất về cơ bản có thể hoán đổi giữa các trạng thái. Vật lý của một vụ va chạm ô tô sẽ không bao giờ – dù có “mạnh” đến đâu – tạo ra một chiếc xe hoàn toàn mới.
Xe sẽ chịu lực hoàn toàn giống nhau trong cả hai trường hợp. Lực duy nhất tác động lên xe là sự giảm tốc đột ngột từ vận tốc v về 0 trong một khoảng thời gian ngắn do va chạm với một vật thể khác.
Tuy nhiên, khi xem xét toàn bộ hệ thống, vụ va chạm trong tình huống có hai xe giải phóng năng lượng gấp đôi so với vụ va chạm với tường. Nó ồn hơn, nóng hơn và có lẽ lộn xộn hơn. Rất có thể, hai chiếc xe đã “dính” vào nhau, các mảnh vỡ bay ra theo các hướng ngẫu nhiên.
Đây là lý do tại sao các nhà vật lý tăng tốc các hạt trong máy gia tốc hạt (collider) để nghiên cứu vật lý năng lượng cao (high-energy physics). Việc cho hai chùm hạt va chạm với nhau rất hữu ích vì trong các vụ va chạm hạt, bạn không quan tâm đến lực của các hạt (thứ mà bạn không bao giờ thực sự đo được); thay vào đó, bạn quan tâm đến năng lượng của các hạt.
Máy gia tốc hạt (particle accelerator) tăng tốc các hạt, nhưng làm như vậy với một giới hạn tốc độ thực tế được quy định bởi rào cản tốc độ ánh sáng (speed of light barrier) từ thuyết tương đối (theory of relativity) của Einstein. Để “vắt” thêm một chút năng lượng từ các vụ va chạm, thay vì cho một chùm hạt gần tốc độ ánh sáng va chạm với một vật thể đứng yên, tốt hơn là cho nó va chạm với một chùm hạt gần tốc độ ánh sáng khác đi ngược chiều.
Từ góc độ của hạt, chúng không hẳn là “vỡ vụn hơn”, nhưng khi hai hạt va chạm, nhiều năng lượng hơn được giải phóng. Trong các vụ va chạm của các hạt, năng lượng này có thể ở dạng các hạt khác, và bạn càng “lôi” được nhiều năng lượng ra khỏi vụ va chạm, các hạt càng “lạ”.
