碰撞是两物体在极短时间内接触的现象。
每个物体个别的动量可以改变,但它们的总动量不会改变。这称为动量守恒定律(总量保持不变)。
动量守恒
守恒:总量保持不变(在封闭系统内)。
封闭系统:无任何东西进入或离开,也无外力施加在系统上。
在宇宙里:
质量是守恒的(可以改变形式,改变位置,分裂或结合,但总质量保持不变)动量也是守恒的,并且能量也是守恒的,
动量与动能
你也许想先去阅读关于能量的网页。
动能(KE)是运动的能量(KE 源自英语 Kinetic Energy):KE = ½ m v2
其中:
KE 是动能,以焦耳(J,或千克米2/秒2)为单位
m 是质量(千克)
v 是速度(米每秒)
例子:一个 1千克重的球以 20米每秒的速度移动,一个 10千克重的球以 2米每秒的速度移动。每个球的动量和动能是多少?
动量
1千克重的球,速度 20米每秒:
p = m v
p = 1千克 × 20米每秒
p = 20千克米每秒
10千克重的球,速度 2米每秒:
p = 10千克 × 2米每秒
p = 20千克米每秒
两个球的动量是相等的。
动能(KE)
1千克重的球,速度 20米每秒:
KE = ½ m v2
KE = ½ × 1千克 × (20米每秒)2
KE = 200千克米2/秒2 = 200焦耳
10千克重的球,速度 2米每秒:
KE = ½ × 10 kg × (2米每秒)2
KE = 20千克米2/秒2 = 20焦耳
小球的动能大很多!
总括
1千克,20米每秒 | 10千克,2米每秒 | |
---|---|---|
动量: | 20千克米每秒 | 20千克米每秒 |
动能: | 200焦耳 | 20焦耳 |
所以在动量相同时,动能可以非常不同。因为动能的公式含有速度的平方。
无弹性与有弹性碰撞,无弹性无弹性是软的(像面团)有弹性碰撞是有弹力的(像橡皮球)
完美无弹性碰撞:
物体粘在一起,以同一速度移动
碰撞使物体变形,所以
失去动能(动能变成热、光和声)
完美有弹性碰撞:
物体互相弹开
总动能保持不变
一般的碰撞都是在无弹性与有弹性碰撞之间的。
例子:掉下网球,网球不会反弹到原来的高度。因为有些动能在反弹时遗失了(也有一些因为空气阻力而遗失了)所以这是个稍为无弹性的反弹(大部分的反弹是有弹性的)。
我们可以用从 0(无弹性)到 1(有弹性)的尺度。去动量动画自己看看。
在引力动画网页里的碰撞都是无弹性(两个物体猛撞和结合为一体)的,或者就是有弹性(物体接触然后分开)的。
例子:列车车厢重 25,000千克,以 3米每秒的速度向东走,钩连到重 190,000千克,以 1米每秒的速度向东走的机车上。钩连后的列车的速度是多少?
碰撞是无弹性的,因为车钩把车厢与机车锁在一起。
车厢的动量
p车厢 = 25,000千克 × 3米每秒
p车厢 = 75,000千克米每秒
机车的动量
p机车 = 190,000千克 × 1米每秒
p机车 = 190,000千克米每秒
动量守恒,所以钩连后的总动量和钩连前(分开时)是相同的:
p总 = m总 v
重排为:
v = p总m总
总动量是:
p总 = 75,000千克米每秒 + 190,000千克米每秒 = 265,000千克米每秒
m总 = 25,000千克 + 190,000千克 = 215,000千克
解:
v = 265,000千克米每秒215,000千克
v = 1.2326…… 米每秒
一般公式
无弹性碰撞是最简单的,如果是其他的碰撞就要用这些公式:
其中:
elast = "恢复系数",0=无弹性、1=有弹性(或之间任何数值)
va 和 ma 是物体 a 的速度和质量
vb 和 mb 是物体 b 的速度和质量
例子(续):如果钩连不成功,车厢和机车完美的互相弹开,新的速度是多少?
碰撞是完美无弹性的。"elast" 的值是 1:
代入数值:
计算:
车厢向后以大约 0.5米每秒的速度移动,机车向前以大约 1.5米每秒的速度移动,
动量守恒吗?碰撞后的动量是:
pcar = 25,000千克 × 0.5349…… 米每秒 = −13,372千克米每秒
p机车 = 190,000千克 × 1.4651…… 米每秒 = 278,372千克米每秒
p总 = −13,372千克米每秒 + 278,372千克米每秒 = 265,000千克米每秒
这和上面例子一样,所以动量是守恒的。