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时间：2020年04月28日
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物理学：两车相撞和开车撞墙，谁的破坏力更大?
在《流言终结者》的某一集里模拟了这样一个场景：两辆以相反方向运行的车，同时夹击处于它们中间第三辆较小的车。从实验角度来看，这个情景要想设置成功难度颇大(特别是如果你只有两辆车可供报废)。第一次试验里，两位流言终结者亚当和杰米发动两辆十八轮大卡车，以50mph同时冲向一辆静止不动的汽车。试验的结果让人印象深刻，但静止的车辆并没有受到完全撞击。当车辆对撞的时候，中间遭到夹击的第三辆车被突如其来的冲击力撞偏了方位，因而没有遭到彻底的破坏。
由于车容易被撞偏，预计的实验效果不能完全体现，他们于是就设计了第二个试验，他们改变了方案，改用火箭滑车去撞静止的汽车，这次他们在汽车后面固定了一面墙。其中一位声称：如果一辆车以100mph速度撞击墙体，其破坏效果就等价于第一次试验里两个50mph车相撞。他这样说有没有问题?从直觉上来判断，好像说的通。但是，开车以50mph的速度撞墙和开车以50mph的速度对撞50mph迎面开来的车，在这两者要你选一个破坏程度相对较轻的，难道你的选择不会是前者吗?这位终结者的说法果不其然在网上一击石起千层浪，很多人有不同的看法，这档节目最终决定再专门开辟一集对这个问题加以处理。
为了得到这个问题的答案，我们先看看另外一集里处理的一个物理现象。那集节目里有待验证的一个说法是这样的：如果把两本电话薄的页面一张张交叉叠在一起，那么要把这两个本子分开是不可能办到的。为了验证，两人按要求把书叠了起来，然后拔河，试图分开这两本书。图示是这样的：
这个实验看似十分到位，但拉的方式是否存在问题?如果像这样拉，两位试验者对书的作用力只有320磅，他们的力原本可达到两倍之多。如果两人以相反方向拉书，根据受力分析，书的速度没有变化，受到的合外力必然为0。本质上，吉米施加了320磅大小的力，而亚当的作用只相当于让书本保持在原地不动而已(反之亦然)。如果把吉米对面的亚当换作一面墙，并由绳子牵住，情况又会如何?结果跟刚才完全一样。墙和亚当一样可以施加拉力。更近一步来看，除了拉以外，墙可以推吗?当然也可以。你有推墙的经验吗?你推墙，墙也会把你施加给它的推力向你推回来。如果亚当和吉米这样拉呢?
在这种情况下，亚当和吉米各自的拉力到达320磅，墙就以640磅的力反方向拉。在节目里，终结者用两辆相反方向运行的卡车来试着把电话本拉开，记录下来的拉力值为4800磅。最终，他们用两辆军用车把拉力提高到8000磅，才把书分开。如果一开始他们用两辆民用车往一个方向拉书，而把书的另一端和一棵大树绑定，那么他们能获得的力可以达到9600磅，这样一来，力的大小已经完全能够把书分开。看来终结者们在这件事情上还不够明智，只好动用军用车来完成实验。如果没有经过这样一番思考，我也会跟他们一样。
回到我们一开始讨论的这个话题：两辆车以相同的速度对撞和一辆车以两倍的速度开车撞一面固定的墙，到底两者的破坏程度哪个更厉害?让我们来看一下：假设在一个外太空里运行着两辆车，速度相同迎面驶向同一物体。为什么假设在一个外太空里?因为这个理想化的设定使得车在行驶过程中没有受到其他任何的额外力，速度恒定。同时这样也假设车远离任何大质量的物体，引力就可以忽略不计;空气阻力与地表摩擦力也忽略不计，因为车并不是在推动空气或者地面，这样建立模型相对容易。
在这样的情景下，两点必然是成立的：第一，动量的矢量和在撞击前后必然相等。为什么要说“矢量”，因为矢量非常重要，它带有方向性，两辆车以相反方向开来矢量和必然为0。撞车停止以后，矢量和仍然为0;第二，撞击前后能量守恒。如果没有撞击目标以外的物体对整个系统做功，那么系统将能量守恒。必须将撞击目标也算进去，这样相互作用的所有物体都被考虑到了。显然，在太空里这些条件都能成立。在撞击前，所有的能量是动能，撞击后能量一部分为车的动能，另一部分我把它叫做结构性能量，它体现在车辆的变形中。好了，现在来看一个特殊极端的例子。假设两辆橡皮车以同样的初始速度相向而行，相撞之后以不变的速度弹开。显而易见，在这种情况下，动量和动能两者都守恒了，初始的动能和最终的动能大小一样。这就说明，能量没有发生形式上的变化—车没有发生结构上的改变或者损坏。这种简单的情况让人觉得很单调乏味。
那么两辆车以同样的速度发动，同时相向而行然后停下来，情况又是怎么样?这种情况下，动量仍然守恒，因为相向而行的车初始状态动量为0，停下来时的最终动量也为0。
搞清楚了动量之后，对于能量呢我们现在清楚吗?显然，动能在撞车前后发生了变化，因为车在撞击后静止了。车的动能和动量之间有关键性的区别:动能是一个标量，没有方向，永远是正的，它不因为车相向而抵消。那么这些动能又跑到哪里去了呢?动能转化成了车辆碰撞时的“损伤”。就这么简单，对吧?
现在我们回到《流言终结者》里用到的实验手法，一辆车用两倍的速度去撞一辆静止的车。
在这种情况下，最初的动量不为0，如果两车充分相撞之后必然是不会静止的。如果碰撞之后两车“黏着”在一起，它们会一起向右边运动，因为那就是初始动量的方向。
那么开始的能量又会发生什么改变?如果一车的速度达到原来的两倍，另外一车静止，那么能量不会是原来的两倍。为什么?因为动能的大小取决于速度值的平方。这样即便一车是静止的，另一辆以两倍的速度运行所具有的能量仍然大于两车都以原速度运行时的能量。问题的关键是这些能量不会全部转化为“损伤”，因为当初始动量不为0，最终相撞后车仍然不会处于静止状态。
以上所谈论的碰撞都是在一个没有外力作用的绝对空间里发生的，这种情况是很特殊的例子(为了讨论简便而设定的)。那么假如静止的车后固定了一面墙，结果又会如何?
加上墙体之后产生的外力会极大的改变原来的情况。在新的情景里，和墙连为一体的地面对于静止车辆所施加的力非常重要——因为这个力的存在使两车构成的系统的初始动量和最终动量不同了。这种新的情况下能量又发生了什么变化?即便系统有外力，但却没有增加任何能量。因为这个外力没有移动(来自于墙体的力并不做功)。功是力与沿着力的方向移动的距离的乘积。如果没有外力做功，相撞后的总能量和初始状态的动能大小一致，仍然不变的是一辆车以原速度两倍运行其总能量的大小两倍于两车以原速相向而行而具有的能量。
因此，只将一辆车的车速提高为原速的两倍并保持另外一辆车静止，不同于两辆车均以一样的速度运动起来。终结者的第二次火箭滑车的想法听起来好像很不错，实验也会很容易做到。为了观察车辆的破坏状态，第二个实验和第一个实验是完全不一样的。
不必担心，《流言终结者》依旧是一档很棒的节目。出现了这样的错误说明亚当和吉米两人在尝试着完成壮举，但他们也不过是普通人。
来源：极客物理学 : 地球上最有趣的问题和最出人意料的答案 作者：[美] 瑞特·阿莱恩
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