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理论

弹性碰撞

弹性碰撞同时满足动量守恒和动能守恒。

弹性碰撞(elastic collision)是理想化的碰撞:碰撞前后总动量守恒总动能守恒。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。

相关理论

中级

#conservation

动量守恒
在封闭系统中,碰撞前后总动量保持不变。
初级

#conservation

能量守恒
在理想系统中,能量只在形式间转换,总机械能保持不变。
初级

#energy

动能
物体运动时具有的能量,与速度平方成正比。
初级

#momentum

动量
描述运动状态的矢量物理量,在孤立系统中守恒。