弹性碰撞(elastic collision)是理想化的碰撞:碰撞前后总动量守恒且总动能守恒。现实碰撞往往会把部分动能转化为热、声、形变等,因此常用恢复系数来刻画“接近弹性”的程度。
碰撞的分类
- 完全弹性:动量守恒 + 动能守恒
- 非弹性:动量守恒,但动能减少
- 完全非弹性:碰后粘在一起共同运动
恢复系数 e
在碰撞法线方向(1D 情形)上定义:
e = (碰后相对速度)/(碰前相对速度)
= -(v2 - v1)/(u2 - u1)
完全弹性对应 e = 1;完全非弹性对应 e = 0。
一维两体完全弹性碰撞(e = 1)
由动量守恒与动能守恒可得
v1 = ((m1 - m2)/(m1 + m2)) u1 + (2m2/(m1 + m2)) u2
v2 = (2m1/(m1 + m2)) u1 + ((m2 - m1)/(m1 + m2)) u2
当 m1 = m2 且 u2 = 0 时,有 v1 = 0、v2 = u1(速度交换)。
质心系视角
在质心系中,完全弹性碰撞会保持相对速度大小不变,但方向反转。这种几何图像可推广到二维/三维散射问题。
现实中的能量损失
即使 e 接近 1,材料内部摩擦、永久形变、振动、声与热等也会带来能量耗散;有效 e 还可能随碰撞速度变化。
常见误解
- 动量守恒并不保证动能守恒。
- e 由相对速度(沿碰撞法线方向)定义,不是单个物体速度的简单比值。