動量與碰撞
動量守恆(conservation of momentum)
這是整個物理學裡最可靠的規則之一:一群任由彼此互動的物體,其總動量永遠不會改變。把兩位溜冰者互推分開,他們會朝相反方向滑走;把他們的動量加起來,得到的正是一開始的值——零。大自然總把這本帳記得平平的。
精確地說:如果一個系統所受的淨外力為零,系統的總動量就是定值,碰撞前的 p_total = 碰撞後的 p_total。原因是牛頓第三運動定律——每一個內部的推,都成對出現、大小相等方向相反,所以物體彼此施的力,在整個系統加總時互相抵消,總動量因此原封不動。由於動量是向量,這對每個方向分別成立:x 方向的總動量守恆,y 方向的總動量也各自守恆。
這條定律是碰撞、爆炸、反衝的萬能鑰匙:撞擊當下那些亂七八糟的力你多半不知道,但你永遠知道事後的總動量等於事前的總動量。關鍵在「外」這個字——像強摩擦力或牆壁那樣的外力「會」改變系統的動量,所以這條定律只適用於孤立(封閉)系統,或適用於短到外力還來不及起作用的那一瞬間。
兩位溜冰者靜止站在無摩擦的冰面上,總動量為零。一位 50 公斤的溜冰者一蹬,向右滑出、速度 3 m/s(動量 +150 kg m/s)。那位 75 公斤的溜冰者就必須帶著 -150 kg m/s,於是向左滑,速度 150 / 75 = 2 m/s。兩者加起來總動量仍是零——動量守恆了。
從靜止互推分開,兩個動量大小相等、方向相反,總和維持為零。
只要外力可忽略,動量守恆在「每一次」碰撞都成立——不管是不是彈性、是輕碰還是猛撞。動能則是另一回事:它只在彈性碰撞中守恆,絕不像動量那樣有保證。
又稱
另見