什么是完全非弹性碰撞?
完全非弹性碰撞指的是两个物体相撞后粘连在一起、作为一个整体共同运动的碰撞过程。在这类碰撞中,动量始终守恒,但动能不守恒——一部分能量会转化为热能、声能以及物体的永久形变。本计算器可以求出碰后两物体合为一体时的共同末速度,同时给出总动量和碰撞过程中损失的动能。
如何使用
分别输入两个物体的质量和速度。沿同一方向运动的物体用正速度表示,反方向运动则用负值。计算器会返回共同末速度、守恒的总动量、碰前与碰后的动能,以及一共耗散了多少动能。
公式详解
根据动量守恒定律,碰前总动量等于碰后总动量:\(m_1 v_1 + m_2 v_2 = (m_1 + m_2)v'\)。求解共同末速度可得
$$v' = \frac{m_1 v_1 + m_2 v_2}{m_1 + m_2}$$损失的动能等于碰前各物体动能之和,减去合并后整体以 \(v'\) 运动时的动能。
实例演算
一辆质量 2 kg、以 3 m/s 运动的小车撞上一辆静止的 1 kg 小车(\(v_2 = 0\)),两车随即挂接在一起。末速度为
$$v' = \frac{2 \cdot 3 + 1 \cdot 0}{2 + 1} = \frac{6}{3} = 2 \ \text{m/s}$$碰前动能 \(= \tfrac{1}{2} \cdot 2 \cdot 3^2 = 9 \ \text{J}\);碰后动能 \(= \tfrac{1}{2} \cdot 3 \cdot 2^2 = 6 \ \text{J}\),因此碰撞中损失了 3 J 动能。
常见问题
动量总是守恒吗?是的——只要没有外力作用,任何碰撞中的总动量都守恒,即便动能并不守恒。
为什么会损失动能?在非弹性碰撞中,能量被用于使物体发生形变、产生热量和声音,所以碰后动能会低于碰前动能。
如果两物体方向相反怎么办?把其中一个速度输入为负值即可。动量的带符号求和会同时决定末速度的大小和方向。