動量與碰撞
二維碰撞(two-dimensional collision)
二維碰撞是「擦邊」而非正面的撞擊——兩物偏離中心相遇,各自朝不同方向轉開,就像母球以某個角度削到另一顆球,兩顆都往側邊滾走。現在運動散布在一個平面上,單單一條正負號的直線就不夠用了。
關鍵觀念是:動量是向量,而它的每一個分量各自守恆。所以你把每個速度拆成 x 分量與 y 分量,把守恆寫兩遍:碰前的總 x 動量 = 碰後的總 x 動量,碰前的總 y 動量 = 碰後的總 y 動量。兩條方程式,一個方向一條。若這場碰撞還是彈性的,動能(一條純量方程式)也在此之上守恆。一個漂亮的結果:當一個運動物體偏心地、彈性地撞上一個質量相同、靜止的物體時,兩者恰好以 90 度分開飛出。
真實的撞球走位、十字路口的車禍、粒子散射實驗,全都是這樣用二維分析算出來的。方法始終不變——拆成分量、各自守恆——這正是為什麼熟練向量分量,會在整個物理學裡處處得到回報。
一顆母球沿 +x 方向運動,偏心且彈性地撞上一顆質量相同、靜止的球。動量分到 x 與 y 兩個方向;動能也守恆。把代數算完,兩顆球離開時所走的路徑恰好互相垂直——這個直角,你在任何撞球檯上都看得到。
質量相等、一顆靜止、彈性且偏心:兩者總是以 90 度分開。
這裡你不能讓「總速率」守恆,也不能把速率當普通數字相加——動量是向量,所以是 x 與 y 分量各自平衡。那個 90 度的結果,只在「質量相等、其中一顆靜止、彈性碰撞」時成立;只要改動其中任一項,角度就會變。
又稱
另見