Svar: Kraft eller impuls?
Tack för ditt meddelande.
Det jag främst reagerar på är kommentaren ”Vid kollision åsamkas väldigt mycket skada, trots att nettokraften är 0.”
Om en bil kör med konstant hastighet (vilket nödvändigtvis sker på en raksträcka utan höjdvariation) så är summan av de inbromsande krafterna (friktion och luftmotstånd) lika stor som den framåtdrivande kraften fast motriktad, så nettokraften är precis som du säger nollvektorn. Enligt Newtons andra lag är det ju bara då som accelerationen är noll och hastigheten konstant över tiden.
Om bilen sedan kör rakt in i en bergvägg (för enkelhetens skull) kommer krafterna på bilen att bli väldigt nollskilda under själva händelsens millisekunder. Krafterna kommer att bli olika på alla olika ställen i bilen och kommer att variera med tiden. ”De flesta” av dessa krafter kommer mer eller mindre att peka rakt bakåt och vara av stor magnitud. Det är ju dessa krafter som gör att hastigheten ändras mot nollvektorn. Ju högre fart (=hastighetens absolutbelopp) bilen hade före kollisionen (eller: rörelsemängd eller kinetisk energi) desto större blir dessa krafters storlek. När allt lugnat ner sig efter någon sekund eller så är förstås nettokrafterna, hastigheten och rörelsemängden alla lika med vektoriella nollan och den kinetiska energin skalärnollan.
I princip samma sak gäller om du slår en knytnäve mot en trävägg. Lite annorlunda blir det om du slår mot en frigolitskiva.
I allmänhet är förloppen komplicerade, och det är väl egentligen inte möjligt att precist förutspå skadoeffektens storlek med ett enda mätetal. Vid en kollision mellan två makroskopiska föremål är det inte en enda kraft som förekommer, utan kraften på en liten del av något av föremålen är olika på olika ställen och vid olika tidpunkter under kollisionen. Geometriska aspekter spelar in, tidsaspekter likaså. Det spelar inte bara roll vilken relativ hastighet föremålen har innan de slår ihop med varandra, utan också vad som händer vid kollisionen. Både en bil och en knuten näve kan ju ge extra kraft under själva kollisionen, vilket en kastad sten inte kan.
Men om man förenklat vill karaktärisera skadeverkans storlek med någon mätbar egenskap före kollisionen så är det förstås fullständigt meningslöst att använda kraften; då får man i stället gå på rörelsemängd eller kinetisk energi. Något säger mig att den kinetiska energin är det bättre valet, men det finns åtskilliga faktorer som spelar roll här. Det finns skillnader mellan en pistolkula och en stor sten som kommer mot en tunn trävägg. Olika saker händer likaså om du hamrar i en spik i väggen eller slår med hammaren direkt på väggen. Eller, riktigt, riktigt långsamt kör en mycket stor stridsvagn genom vägen. Faktiskt är det rent av långt ifrån uppenbart hur man definierar ”skada”.
Din analys med impuls förstår jag inte riktigt. Om tiden ökar och kraften minskar är det väl högst oklart om produkten blir större eller mindre? Faktum är att den borde bli densamma, eftersom impulsen är förändringen i rörelsemängd, och bilens förändring i rörelsemängd är ju given (eftersom vi vet rörelsemängden före kollision och efter). Dessutom är det naturligtvis en förenkling att anta att kraften inte varierar med tiden och att materialet är helt elastiskt. Och ligger det inte i det elastiska materialets natur att dess deformering är reversibel? Dra ut bilen ur det elastiska föremålet du körde in i och det återställer sig självt!
Anledningen till att folk säger ”slå med mer kraft” snarare än ”slå med högre rörelsemängd före kollisionen” eller ”slå med högre kinetisk energi före kollisionen” är snarare av språklig natur. Både rörelsemängd och kinetisk energi är ju facktermer som inte brukas av gemene man. Uttrycket är också lämpligt eftersom det i princip är fysikaliskt korrekt och ännu bättre blir det eftersom ”kraft” i allmänt språkbruk har en vidare betydelse än inom fysiken (”han sjunger med sådan kraft”, ”hennes texter har sådan kraft”, ”nu är mina krafter slut”) vilket ytterligare gör det svårt att betrakta uttrycket som felaktigt.
Jag skulle inte förlora någon sömn över den här frågan.
Andreas Rejbrand