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碰撞:彈性與非彈性

動量在碰撞中永遠守恆——但動能不一定。單憑這一個區別,就把每一次碰撞分成彈性、非彈性與完全非彈性。我們將推導彈性碰撞公式、認識恢復係數,並解一道實際問題。

兩個問題,各有一個答案

對任何碰撞,問兩個問題。第一:動量守恆嗎?如果系統是孤立的,是,永遠如此——我們上一則指南已證明。第二:動能守恆嗎?這裡答案會變,而它正是碰撞的分類依據。

彈性碰撞也守恆動能——沒有能量損失於熱、聲或變形。兩顆撞球,或氣體分子,非常接近這種情況。非彈性碰撞則損失一些動能。極端的情形,即完全非彈性碰撞,是物體碰後黏在一起,這在仍守恆動量的前提下損失了最多的動能。

完全非彈性:黏在一起

完全非彈性的情況最容易求解,因為碰撞後兩個質量共享單一的共同速度。動量守恆一步就給出它。

m_1 v_{1i} + m_2 v_{2i} = (m_1 + m_2)\,v_f \;\Longrightarrow\; v_f = \frac{m_1 v_{1i} + m_2 v_{2i}}{m_1 + m_2}

完全非彈性碰撞:合併後的質量以初速度的動量加權平均值運動。

有多少動能消失了?算出來會出現一個漂亮的結果:損失取決於質量與它們的相對速度。那損失的能量並沒有不見——它變成了熱、聲與永久變形。汽車潰縮區的物理,正是刻意最大化這個損失以保護乘客。

\Delta K = -\frac{1}{2}\,\frac{m_1 m_2}{m_1 + m_2}\,(v_{1i} - v_{2i})^2

完全非彈性碰撞中損失的動能。它只有在相對速度為零時才消失——也就是根本沒有真正發生碰撞的時候。

一維彈性碰撞

彈性碰撞給你兩條方程——動量守恆與動能守恆——來解兩個未知數,即兩個末速度。代數有點繁瑣,但有一條漂亮的捷徑能直接穿透:對彈性碰撞而言,相對速度會反轉。物體分離的速率恰好等於它們接近的速率。

v_{1i} - v_{2i} = -\,(v_{1f} - v_{2f})

彈性碰撞捷徑:接近的相對速率等於分離的相對速率。把它與動量守恆搭配,即可不碰動能的二次方程就求出解。

解這一對方程,可得到末速度的封閉形式:

v_{1f} = \frac{m_1 - m_2}{m_1 + m_2}\,v_{1i} + \frac{2 m_2}{m_1 + m_2}\,v_{2i}, \qquad v_{2f} = \frac{2 m_1}{m_1 + m_2}\,v_{1i} + \frac{m_2 - m_1}{m_1 + m_2}\,v_{2i}

一維彈性碰撞公式。改記相對速度捷徑往往更快、也更不易出錯。

讀出幾個極限情況,能建立深刻的直覺。等質量m_1 = m_2):兩物體單純交換速度——這正是牛頓擺背後的把戲。重物撞上靜止的輕物:重物幾乎不減速,輕物以接近入射速率的兩倍飛出。輕物撞上靜止的重物:輕物幾乎原路彈回,重物幾乎不動——就像球撞牆一樣。

連續光譜:恢復係數

真實碰撞落在完全彈性與完全黏合兩個極端之間。恢復係數 e 是把一次碰撞定位在這條光譜上的單一數字:它是碰後相對速率與碰前相對速率的比值。

e = \frac{\text{relative speed of separation}}{\text{relative speed of approach}} = -\,\frac{v_{1f} - v_{2f}}{v_{1i} - v_{2i}}

恢復係數。e = 1 為完全彈性(相對速度完全反轉);e = 0 為完全非彈性(一起運動);真實的球介於兩者之間。

把彈性滑桿從 1 掃到 0,看著劇情展開:在 1 時小車彈開且動能不減,在 0 時它們鎖在一起,中間則有能量悄悄流失——而在每個設定下,動量總量都穩如磐石。

二維與一道範例

二維碰撞中——例如母球斜撞另一顆球——動量是向量,所以它逐分量守恆:碰前的總 x 方向動量等於碰後的總 x 方向動量,y 方向亦然。每個方向都給你一條守恆方程。一個著名結果:當一顆運動的球彈性地偏心撞上一顆相同的靜止球時,兩者分離的夾角永遠恰好是 90^\circ