理论教育 弹性物体碰撞:记住这些就够了

弹性物体碰撞:记住这些就够了

时间:2023-10-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:对于弹性物体之间的碰撞,记住这些就够了,再就是简单的数学计算。换言之,碰撞的第一个阶段后,它们并不会完全恢复原本的形状。需要指出的是,这两个小球之间的碰撞时间很短,所以本结论是科学的。计算结果显示,如果钢球很大,和行星差不多大,半径为上万千米,然后用1米/秒的速度互相碰撞,那么它们的碰撞就会持续40小时,互相接触部分的半径将是12.5千米,二者之间的压力会达到4万万吨。

弹性物体碰撞:记住这些就够了

对物体的碰撞有了一定的了解,我们就能事先知道两个互相碰撞的物体在碰撞之后的速度。但是,碰撞后的速度首先取决于相互碰撞的这两个物体是否具有弹性。

如果两个相互碰撞的物体不存在弹性,那么这两个物体碰撞后的速度就是一样的。只要知道了互相碰撞的物体的质量与原本的速度,就能用混合法求出碰撞之后的速度。

以购买两种不同价格的咖啡为例:有两种咖啡,一种价格为8元/千克,另一种价格为10元/千克,我们分别取3千克与2千克进行混合,混合之后的咖啡价格便是:

相同的道理,假设两个不存在弹性的物体原本的速度分别为8厘米/秒与10厘米/秒,那么3千克的前者与2千克的后者在互相碰撞之后的速度会变为

一般来说,假如两个不存在弹性的物体的质量分别是m1和m2,速度分别是v1与v2,那么它们互相碰撞后的速度便是

假如我们将速度v1的方向看作正方向,那么碰撞之后的速度u的方向就是:

·计算结果是正数,说明u的方向和v1的方向一样,也是正方。

·计算结果是负数,则情况恰巧相反。

如果碰撞的是两个不存在弹性的物体,了解这些就够了。

如果是弹性物体之间的碰撞,分析的过程就相对复杂。与非弹性物体不同的是,弹性物体碰撞时,首先会在碰撞的部位发生凹陷,然后又凸起来,最终恢复原来的形状。因此,整个过程分成好几个阶段。物体凸起来时,撞过来的物体不仅会损失掉一部分在凹陷阶段的速度,凸起来时同样会失去相同的速度。但对被撞的物体来说,它增加的速度也是双倍的。简单来说就是,速度较快的物体会损失两份速度,速度较慢的物体则会同时增加两份速度。对于弹性物体之间的碰撞,记住这些就够了,再就是简单的数学计算。假设速度比较快的物体的速度是v1,另一个物体的速度是v2,它们的质量分别是m1与m2。两个没有弹性的物体在碰撞之后会用下面的速度运动

第一个物体失去的速度为v1-u,第二个物体增加的速度则为u-v2。在之前分析弹性物体的时候,我们了解到,不管是失去的速度,还是增加的速度,都是双份的,即2(v1-u)和2(u-v2),因此两个弹性物体在碰撞之后的速度便是

u1=v1-2(v1-u)=2u-v1

u2=v2+2(u-v2)=2u-v2(www.daowen.com)

只要将之前的u值代入这两个式子,就能计算出两个速度值。

到这里,我们研究的是碰撞的两个极端情况,也就是完全非弹性物体之间的碰撞与完全弹性物体之间的碰撞。但在现实生活中,我们看到的情况通常介于二者之间,即两个互相碰撞的物体并非非弹性的,也并非完全弹性的。换言之,碰撞的第一个阶段后,它们并不会完全恢复原本的形状。在这样的情况下要怎么办呢?我们来研究一下。

在这里,我们只需要清楚这两个极端情况就行了。

讲到弹性物体的碰撞,我们还可以从一个简短的规则中得到解释:弹性物体经过互相碰撞之后会逐渐远离,速度和碰撞之前的速度非常接近。事实上,只要进行以下简单的思考,我们就能得到这个规则:

·弹性物体在碰撞之前相接近的速度为v1-v2

·弹性物体在碰撞之后相远离的速度为u2-u1

将之前的u1与u2代入上面的两个式子中,可以得出

u2-u1=2u-v2-(2u-v1)=v1-v2

之所以说这个性质非常重要,是因为它能让我们对弹性物体之间的碰撞产生更直观的印象。而且,它还有另外一层意思。在推导公式的过程中,我们提到过“主动撞击的物体”与“被动撞击的物体”,这里的描述是对旁观者而言的。本书一开始就是有关两个鸡蛋的题目,“主动撞击的物体与被动撞击的物体”和两个鸡蛋的情形是相同的。这两个物体可以互换角色,对整个现象的本质不会产生任何影响。这一点对本节全都适用吗?如果我们将这两个角色互换,会对之前推导的公式有影响吗?

很明显,角色的变换不会对上面的公式产生任何影响。因为不管从哪个角度来看,两个物体在碰撞之前的速度差全都一样,所以两个物体在碰撞之后离去的速度也不变,始终是u2-u1=v1-v2。也就是说,无论从哪个角度来看,两个物体互相碰撞之后都会出现相同的情形。

最后,让我们来看一些弹性小球在碰撞过程中的数据,非常有趣。两个钢球的直径都是7.5厘米,同时用1米/秒的速度朝对方撞过去,会产生1 500千克的压力。如果速度变成2米/秒,压力同样会变大,变成3 500千克。当两个钢球用不同的速度互相碰撞时,接触部分的半径也不相同,分别为1.2毫米与1.6毫米,碰撞所持续的时间却是一样的,大约为秒。这个时间非常短,因此在如此大的压力下,钢球不会被撞坏。

需要指出的是,这两个小球之间的碰撞时间很短,所以本结论是科学的。计算结果显示,如果钢球很大,和行星差不多大,半径为上万千米,然后用1米/秒的速度互相碰撞,那么它们的碰撞就会持续40小时,互相接触部分的半径将是12.5千米,二者之间的压力会达到4万万吨。如此巨大的数值是不是让你大吃一惊?

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