Kollisjon

En kollisjon, et sammenstøt, støt eller berøring finner sted når to objekter kommer i fysisk kontakt med hverandre. I en kollisjon overføres bevegelsesenergi mellom kollisjonsobjektene i en kort tidsperiode. Alle kollisjoner har den samme bevegelsesmengden før og etter en kollisjon. Eksempler på kollisjoner er bilkollisjoner, en sprettende ball og en biljardkule som treffer andre kuler eller veggene i biljardbordet.

Kollisjoner i dagliglivet

En flykollisjon

• BIlkollisjoner får ofte fatale konsekvenser. Frontkollisjoner er en stor del av de menneskelige og materielle tapene i trafikken hvert år.
• Skip kan kollidere med hverandre, med havbunnen, brostøtter, kaier, moloer eller med isfjell, som med passasjerskipene RMS «Titanic» og MS «Hans Hedtoft».
• Fly og helikopter kan kollidere med hverandre i luften eller med bakken.
• Atomer støter sammen hele tiden, og gjør de det raskt nok kan det bli en stor eksplosjon i form av en atombombe eller en mer fredelig og kontrollert utvikling av energi.
• I telekommunikasjon kan man i ethernet oppleve kollisjoner når nettet overbelastes.

I overført betydning, men også under praktiske transportforhold, kan to objekter komme på kollisjonskurs.

Grunnleggende kollisjonsmekanikk

Elastiske kollisjoner

Elastiske kollisjoner

I eksemplet med biljardkulen eller den sprettende ballen, finner det sted en elastisk kollisjon. En slik kollisjon skjer vanligvis når en elastisk eller hard gjenstand opplever en kollisjon som fører til at en annen elastisk eller hard objekt spretter av gårde, slik at den kinetiske energien og bevegelsesmengden er bevart (samme før og etter kollisjonen). En liten mengde energi forsvinner som følge av friksjonen mellom overflaten og objektene. For elastiske kollisjoner gjelder $E_{\text{før}}=E_{\text{etter}}$, dvs.

${\frac {m_{1}\cdot {u_{1}}^{2}}{2}}+{\frac {m_{2}\cdot {u_{2}}^{2}}{2}}={\frac {m_{1}\cdot {v_{1}}^{2}}{2}}+{\frac {m_{2}\cdot {v_{2}}^{2}}{2}}$,

der

$m_{i}$ = massen,

$u_{i}$ = hastigheten før kollisjonen,

$v_{i}$ = hastigheten etter kollisjonen.

$i$ = 1 er indeks for objekt 1 og 2 er indeks for objekt 2.

Uelastiske kollisjoner

Bilkollisjoner er ofte uelastiske kollisjoner og kan ende med bulker. Denne typen kollisjoner finner sted når en myk gjenstand opplever en kollisjon som ikke resulterer i spretting eller tilbakeslag. Dermed har all den kinetiske energien gått bort i en slik kollisjon, siden energien har blitt omformet til andre energityper. Bevegelsesmengden er den samme før og etter kollisjonen.

I uelastiske kollisjoner blir kollisjonsobjektene mer eller mindre deformerte. Deformasjonene kan være reversible eller irreversible som i en større bilkollisjon. Det skjer også en liten temperaturendring som gjør at en hører smell, når noe av den kinetiske energien går over til andre energiformer. Altså er $E_{\text{før}}>E_{\text{etter}}$.

Videre finnes det to typer uelastiske kollisjoner:

• Inelastiske kollisjoner der den kinetiske energien i systemet er mindre etter kollisjonen (alle kollisjoner og mindre støt vi opplever i hverdagen er mer eller mindre inelastiske støt).
• Fullstendig inelastiske kollisjoner der objektene henger sammen etter kollisjonen (bilkollisjoner er ofte fullstendig inelastiske på grunn av at bilene skjærer seg inn i hverandre og deretter beveger seg som kun ett objekt). For en fullstendig inelastisk kollisjon gjelder

$m_{1}\cdot u_{1}+m_{2}\cdot u_{2}=(m_{1}+m_{2})\cdot v$,

der

$m_{i}$ = massen,

$u_{i}$ = hastigheten før kollisjonen,

$v$ = hastigheten etter kollisjonen.

$i$ = 1 er indeks for objekt 1 og 2 er indeks for objekt 2.

Flerdimensjonale kollisjoner

I en to- eller tredimensjonal kollisjon er naturlovene for elastiske og inelastiske kollisjoner fortsatt de samme. Vektorene blir her brukt til å finne bevegelsesmengden før og etter en kollisjon.

Dimensjonering mot kollisjoner

I Europa dimensjonerer en stort sett konstruksjoner etter grensetilstandsmetoden. Kollisjoner dimensjoneres da i ulykkesgrensetilstandene. En fastsetter lastene med lav sannsynlighet (ofte årlig sannsynlighet på 10⁻³ til 10⁻⁴). En kontrollerer så at effekten av lastene (lastvirkningene eller responsen) er lavere en styrken på den aktuelle konstruksjonen. En tillater store skader (plastiske deformasjoner), så lenge hovedbæreevnen er ivaretatt - broa eller plattformen skal ikke rase sammen, velte eller synke.

Dimensjonerende kollisjonslaster mot broer er beskrevet i felles europeiske standarder. Ved kollisjoner mot brooverbygningen skal det tas i betraktning at jernbanebruer i mange tilfeller er mye mer følsomme overfor kollisjon enn veibroer. Kollisjonslaster for kjøretøy og sammenhengen med vertikal klaring og andre former for beskyttelse er spesifisert av Vegdirektoratet.

Dimensjonerende kollisjonslaster og metoder for styrkeanalyser av plattformer og fartøyer er beskrevet i NORSOK-standarder. Typiske kollisjonsenergier er 35 MJ for forsyningsfartøyer og 70MJ for tankskip. Norskregistrerte flyttbare plattformer dimensjoneres for en kollisjonsenergi på 14MJ. Fartøyene tar opp en stor del av kollisjonsenergien, mens plattformen dimensjonere for den resterende delen.

Dimensjonerende kollisjonslaster mellom fritt-fall-livbåter og havflatene er beskrevet i en standard utgitt av DNV GL. Kollisjonslasten er avhengig av en rekke forhold som stuphøyden, stupvinkelen, hvor passasjerene sitter i båten, hvor mye de veier, om det er bølger i sjøen, vindhastigheten med mer.

Menneskelige reaksjoner på kollisjoner

Frontkolliderte biler

Skademuligheter

Av kroppens bein er skallen og kneskjellene de mest utsatt i kroppen. Skader på myke organer er komplekse og en kjenner lite til hva som skjer. Det er noen hovedtyper av skader som er mye undersøkt og er kjent.

• ”Klinisk syndrom” er det hyppigste følgen av store mekaniske påkjenninger. Det medfører tap av bevissthet, forstyrrelser i synet og balanse. Dette er normalt en helt reversibel prosess.
• For hodeskader er det tabeller over laster som fører til skader (engelsk ”fracture”) på de ulike delene av skallen.
• Indre hodeskader er ikke fullt ut forstått. Store akselerasjoner kan føre til relative bevegelser mellom hjernen og skallen, og blodårer til hjernen med mer kan bli skadet. Det er gjort forsøk med dyr herunder aper – og det er funnet toleransegrenser for mennesker, som funksjon av tyngdeakselerasjonen. Det er ulike metoder (som severity index – SI og head injury criterion – HIC) for å beregne skadevirkningene i hjernen. Skaden er i begge avhengig av akselerasjonsnivået og varigheten (typisk millisekunder). Den største usikkerheten er i betydningen av eksponeringstiden.
• Skader på bein i ansiktet.
• Nakkeskader fås ved lave laster og er avhengig av bevegelsesretningen og om en får strekk, trykk eller bøying. Nakken får fort skader ved bøying.
• Brystet er en ribbekonstruksjon med flere organer som hjerte, lunger, luftrør, spiserør og større blodkar. Den mest vanlige skaden er på luftrørsblodåren. Hjerteskader er forårsaket av sammenpressing av hjertet. Skademuligheten er størst når hjertet er i den posisjonen av pumpe-syklusen, der den er full av blod.
• Underlivet er det minst undersøkte og forståtte delen av kroppen. Den består av en rekke indre organer. Den øvre delen av underlivet er mer utsatt enn den nedre. Det som oftest blir skadet er lever, nyre, milt, tarmer, bukspyttkjertel og urinblæra. Diagnostisering og lokalisering av indre skader er vanskelig og krever ofte rask operasjon. Skadene endres ved bruken og utformingen av setebelter. Folk under 30 år tåler typisk 50% høyere laster enn de som er over 50 år.
• Bekken til tærne. Her er det gjort en god del forsøk på hva som skal til å skade ulike knokler og ledd. Det er ulike verdier på ulike ledd.

Metoder for skadeanalyser

Det er flere forenklede metoder å beregne skade på personer ved kollisjoner: Akselerasjonsverdiene fastsettes normalt ved kollisjonstester av dukker eller kadavre.

• DR-metoden er også basert på vurdering av øyeepler. En baserer seg på 28 år gamle menn og beregner sjansen for skader.
• Hybrid II-modellen er utviklet av General Motors Corporation og gir 50% skadesannsynlighet for voksne menn.
• CAR-indeks (engelsk for Combined Acceleration Ratio) eller DRSS-metoden gir en indeks, der størrelsen på indeksen indikerer skadeomfanget på øyeeplet. Den vurderer bare størrelsen og ikke varigheten på akselerasjonen. En kombinerer effektene av akselerasjoner fra ulike retninger. En kan også skille mellom akselerasjoner ut av setet (CAR₁) og inn i setet (CAR₂).
• HIC₃₆ (engelsk Head Injury Criteria) er en indeks for effekten på hodet av en akselerasjonstidsserie som varer i 36 millisekunder.
• Akselerasjonsverdier i forhold til g (g-verdier).

Metodene er lette å bruke, og gir en rimelig indikasjon på sikkerheten når det er en god kobling mellom personen og setet. Metodene kan ikke forutse om en skade vil oppstå, eller hva slags skade som kan oppstå, men si noe om sannsynligheten for skade for personer med fysiske egenskaper, alder og kjønn som samsvarer med de personene som er undersøkt, og for de samme innfestingsordningene. En rekke tester er gjort med unge, godt trente militære mannskap, og gir ikke nødvendigvis rimelige verdier for et tilfeldig utvalg av personer.

Kilder

• Duncan, Tom. Advanced Physics for Hong Kong: Volume 1 Mechanics & Electricity. John Murray Ltd, 1995.
• Wai, Loo Kwok. Longman A-Level Course in Physics: Volume 1. Pearson Education South Asia Pte Ltd, 2003.