什麼是彈性碰撞?
彈性碰撞是指碰撞過程中動量與動能同時守恆的碰撞,能量不會轉化為熱、聲音,物體也不會發生永久變形。現實中接近彈性碰撞的例子包括撞球、原子與分子間的碰撞,以及物理課本上的理想化題目。本計算機處理最常見的一維情形:在已知兩物體質量與初速度的條件下,求出兩者碰撞後的末速度。
使用方法
分別輸入兩物體的質量(\(m_1\) 與 \(m_2\)),以及它們沿運動方向的初速度(\(v_1\) 與 \(v_2\))。同一方向的運動以正值表示,反方向則以負值表示。計算機會立即回傳兩物體碰撞後的速度,並一併顯示總動量與總動能——這兩個量在碰撞前後應保持不變。
公式說明
對於一維彈性碰撞,將動量守恆與動能守恆方程式聯立求解,可得到下列封閉解:
$$v_1' = \frac{(m_1 - m_2)v_1 + 2 m_2 v_2}{m_1 + m_2}$$ $$v_2' = \frac{(m_2 - m_1)v_2 + 2 m_1 v_1}{m_1 + m_2}$$留意公式的對稱性:把兩物體的編號互換,公式也隨之互換。當兩物體質量相等時,它們會直接交換速度。
實際範例
假設質量 \(m_1 = 2 \text{ kg}\)、以 \(v_1 = 5 \text{ m/s}\) 運動的物體,撞上質量 \(m_2 = 3 \text{ kg}\)、以 \(v_2 = -2 \text{ m/s}\) 運動的物體。則 $$v_1' = \frac{(2-3)(5) + 2 \cdot 3 \cdot (-2)}{2+3} = \frac{-5 - 12}{5} = -3.4 \text{ m/s}$$ 而 $$v_2' = \frac{(3-2)(-2) + 2 \cdot 2 \cdot 5}{5} = \frac{-2 + 20}{5} = 3.6 \text{ m/s}$$ 總動量 \(= 2 \cdot 5 + 3 \cdot (-2) = 4 \text{ kg}\cdot\text{m/s}\),碰撞前後維持不變。
常見問題
如果兩物體質量相等會怎樣?兩物體會剛好完全交換速度。
與非彈性碰撞有什麼差別?在非彈性碰撞中動能並不守恆(會有一部分損失),因此上述公式並不適用。
方向會有影響嗎?會。這是帶正負號的一維模型,運動方向相反的物體請以負值輸入。