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动力学

弹性碰撞 恢复系数

动量守恒 m₁u₁+m₂u₂=m₁v₁+m₂v₂,恢复系数 e=分离/接近,弹性与非弹性,动能留存 (1+e²)/2

两个物体相撞时,碰撞前后的总动量总是保持不变。但碰撞后弹开多少却因物体而异:橡皮球会有力地弹回,一团泥巴则“啪”地粘住。用一个数来表示这种差别,就是恢复系数 e,它的范围从完全弹性的 e=1 到粘在一起的 e=0。动量总是守恒的,但动能会随 e 的不同,有一部分以热和声音的形式流失。本讲学习用动量和恢复系数这两个式子把碰撞前后联系起来。

这是球 1 向静止的球 2 靠近的情景。上面一行是碰撞前,下面一行是碰撞后;两球相互靠近的相对速率叫作接近速率,碰撞后相互远离的相对速率叫作分离速率。用滑块改变接近速率 v,在这种完全弹性且质量相同的情况下,碰撞后蓝球停下,橙球以同样的速率离开。两个球正好交换了速度,下方读数也显示分离速率等于接近速率。台球正面相撞时,击打的球停住、被撞的球滚走,就是这个情景。

即使质量不同,碰撞前后的总动量也相同。用滑块改变蓝球的质量 m₁,下方读数中碰撞后的速度会各种变化,但下方两根绿色条,也就是碰撞前和碰撞后的总动量,始终一样长。重球撞轻球,两球都向前运动;轻球撞重球,轻球可能被弹回,但无论哪种情况,总和都不变。因为没有外力进入,两球相互作用的力大小相等、方向相反,一方得到多少动量,另一方就恰好失去多少。

恢复系数 e 用来衡量碰撞的弹性程度,定义为 e = 分离速率 ÷ 接近速率。上方的蓝色箭头表示接近速率,保持不变;下方的橙色箭头表示分离速率。用滑块拖动 e,橙色箭头的长度就调整为蓝色箭头的 e 倍。e=1 时两支箭头一样长,进来多快就弹回多快;e=0 时橙色箭头消失,两个物体粘在一起继续运动。实际物体介于两者之间:弹性好的球接近 1,黏土接近 0。

用按钮切换碰撞类型进行比较,差别就很明显。完全弹性碰撞(e=1)连动能也守恒,条全是绿色;部分弹性碰撞(0<e<1)损失一部分,出现红色部分;完全非弹性碰撞(e=0)两物体粘在一起,损失最多。但动量在任何情况下都守恒。看碰撞后蓝球的箭头:完全弹性时它停下,粘在一起时它和橙球一起以一半的速度前进。剩下多少动能,正是区分碰撞类型的标准。

拖动 e,就能看到剩余的动能如何减少。质量相同的两物体正碰、其中一个原先静止时,剩余的比例为 (1+e²)2,所以 e=1 时全部守恒,e=0 时只剩一半。绿色部分是保留的份额,红色部分是损失的份额,损失的能量以热、声音和形变的形式散失。e 稍微减小时,起初损失不大;恢复系数越小,红色部分扩大得越快。汽车的车身被设计成碰撞时有意变形,也是为了用车身的形变来吸收动能。

实际应用总结一下,只要没有外力进入,碰撞中的总动量总是守恒(m₁u₁ + m₂u₂ = m₁v₁ + m₂v₂)。弹开多少由恢复系数 e 决定,e = 分离的相对速率 ÷ 接近的相对速率。e=1 是完全弹性碰撞,连动能也守恒;e=0 是完全非弹性碰撞,两物体粘在一起,损失最多;介于两者之间的是部分弹性碰撞。碰撞后的速度可以由动量守恒式和恢复系数式联立求出;本讲的要点是:动量总是守恒,而动能只有在 e=1 时才守恒。质量相同的两物体正碰时,剩余动能的比例为 (1+e²)2。从下一讲开始,我们从质点转向转动的刚体,用角位置、角速度、角加速度来描述转动。
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