汽车突然停下时,身体必须失去全部动量。冲量就是动量的变化,等于作用力乘以作用时间。在动量变化固定的情况下,停下的时间越长,力就越小。
安全带会稍微伸展并把你固定在座位上,让你在零点几秒内减速,而不是瞬间停止。若没有它,你会因惯性继续向前,在很短的时间内猛地撞上方向盘或挡风玻璃,作用在你身上的力就大得多。
同样的道理解释了溃缩区、安全气囊,甚至跳下落地时弯曲膝盖:每一样都延长停下的时间,以减小冲力。
在 SPM 中,你须把冲量、动量变化与时间联系起来,并定性地解释这些安全设计。
常见误解
- 安全带靠让你更强壮来抵抗撞击 -> 它靠延长你停下的时间来降低作用在你身上的力。
- 安全气囊让你瞬间停下,所以才安全 -> 它安全是因为在更长的时间里让你逐渐减速,而不是瞬间停止。
- 力越大就一定冲量越大 -> 冲量还取决于时间;小力作用长时间也能产生同样的冲量。
背后的物理
安全带的原理是冲量—动量定理。动量是 p = mv,单位为千克米每秒(kg m s⁻¹)。
力的冲量等于动量的变化,也等于力乘以力作用的时间:FΔt = Δp。变形后得 F = Δp/Δt,力以牛顿(N)为单位,时间以秒(s)为单位。
由于 Δp 由你的速率和质量决定,减小作用在你身上的力的唯一办法,就是增大停下的时间 Δt。设一名 60 kg 的乘客以 20 m s⁻¹ 运动,必须停下:
- 骤停,Δt = 0.10 s:F = Δp/Δt = (60 kg × 20 m s⁻¹) ÷ 0.10 s = 12000 N
- 系带停下,Δt = 0.50 s:F = (60 kg × 20 m s⁻¹) ÷ 0.50 s = 2400 N
两种情况都要消除同样的 1200 kg m s⁻¹ 动量,但把停下的时间拉长五倍,力就减到五分之一。正是这个较小的力,被安全带分摊到你的胸部和胯部。
在日常生活中看它
看守门员接一记又硬又快的射门。好的守门员不会把手僵直,而是在球到来时把手和手臂向后收,把球缓冲进身体。
球仍然要失去全部动量,但守门员顺着球一起后移,拉长了球停下的时间,作用在手指上的力就柔和得多,球也不容易弹出或扎痛手。
你自己接一个抛来的重球也能试出来:僵着手臂去抓,手掌会被扎痛;让手向后退一小段,同一个接球就变得很软。球本身没有任何改变,改变的只是停下的时间。
同样的道理塑造了跳高落地区那张厚厚的海绵垫。它在落下的运动员身下慢慢被压扁,把从全速到静止的时间拉长,落地的力便小到足够安全。
若是光秃秃的水泥地,几乎会让身体瞬间停下,带来危险的大力。
它在 SPM 中如何出现
在试卷二中,这以这些指令词考查:解释某个安全设计如何减轻伤害,描述增大碰撞时间的效果,以及把冲力与撞击时间联系起来。题目常以文字或图给出情境,要你从 FΔt = Δp 出发推理。
在力与运动这一章里,它承接动量与动量守恒定律,并属于冲量与冲力这一标准。同样的推理支撑着对车辆其他安全设计的学习,如溃缩区、安全气囊和有软垫的仪表板,而它以牛顿运动定律为依据。
一种常见的比较方式,是解释为什么在动量变化相同时,停下的时间越长,冲力越小。能把质量、速度、时间和力串成一条清晰的推理链,正是这类题目所看重的。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)