一維碰撞

兩台車在無摩擦的水平軌道上相撞。調整質量、初速度與恢復係數 \(e\),按「播放」觀察碰撞前後的動量與動能。

試試看:按「播放」看長條圖,再按「完全非彈性」並播放,比較總動量與總動能的變化。

車 1 車 2 質心 質心每 0.25 s 的位置

動量與動能

車 1 車 2 總和 碰撞前的數值

碰撞前後比較

物理量碰撞前碰撞後變化量
速度(m/s)
\(v_1\)
\(v_2\)
動量(kg·m/s)
\(p_1 = m_1 v_1\)
\(p_2 = m_2 v_2\)
總動量
動能(J)
\(K_1\)
\(K_2\)
總動能
損失的動能
—
公式 \(\tfrac{1}{2}\mu(1-e^2)(v_1-v_2)^2\)
—
由速度反算的 \(e\)
—

背後的物理

軌道沒有摩擦,兩車碰撞時彼此的作用力是內力,系統在水平方向不受外力,所以總動量守恆:

\[ m_1 v_1 + m_2 v_2 = m_1 v_1' + m_2 v_2' \]

只靠動量守恆還解不出兩個未知數 \(v_1'\)、\(v_2'\)。另一個條件由恢復係數 \(e\) 描述:碰撞後「分離的相對速度」與碰撞前「接近的相對速度」之比。

\[ e = -\frac{v_1' - v_2'}{v_1 - v_2} \qquad 0 \le e \le 1 \]

\(e = 1\) 為彈性碰撞(動能守恆),\(e = 0\) 為完全非彈性碰撞(兩車黏在一起),\(0 < e < 1\) 為非彈性碰撞。兩式聯立,得到碰撞後的速度:

\[ v_1' = \frac{m_1 v_1 + m_2 v_2 - e\,m_2 (v_1 - v_2)}{m_1 + m_2} \qquad v_2' = \frac{m_1 v_1 + m_2 v_2 + e\,m_1 (v_1 - v_2)}{m_1 + m_2} \]

代入 \(e = 0\),兩車以共同速度前進,這正是質心速度:

\[ v_1' = v_2' = v_{\mathrm{cm}} = \frac{m_1 v_1 + m_2 v_2}{m_1 + m_2} \]

碰撞損失的動能(轉為熱、聲音與車體形變)可寫成約化質量 \(\mu\) 與相對速度的形式:

\[ \Delta K = K - K' = \frac{1}{2}\,\mu\,(1 - e^2)\,(v_1 - v_2)^2 \qquad \mu = \frac{m_1 m_2}{m_1 + m_2} \]

觀察重點

加上彈簧:看見碰撞的過程

前面把碰撞當成瞬間完成。勾選「加彈簧」後,車 1 前端裝一條理想彈簧(質量不計、遵守虎克定律 \(F = kx\)),碰撞變成一段看得見的過程。兩車受到的彈力大小相等、方向相反,由衝量–動量定理:

\[ J = \int F\,dt = \Delta p_2 = -\Delta p_1 \]

在質心參考系中,壓縮量 \(x\) 滿足 \(\mu\,\ddot{x} = -kx\),是角頻率 \(\omega = \sqrt{k/\mu}\) 的簡諧運動;設接近的相對速度 \(u = v_1 - v_2\):

\[ x(t) = \frac{u}{\omega}\sin\omega t \qquad F(t) = kx(t) \] \[ \Delta t = \frac{\pi}{\omega} = \pi\sqrt{\frac{\mu}{k}} \qquad x_{\max} = u\sqrt{\frac{\mu}{k}} \qquad F_{\max} = u\sqrt{k\mu} \]

接觸期間動能與彈性位能互相轉換,總和不變;彈簧放開時位能全部還給兩車,所以結果就是 \(e = 1\) 的彈性碰撞。彈力–時間圖是半個正弦,面積 \(\int F\,dt = 2\mu u\) 與 \(k\) 無關。

\[ K_1 + K_2 + \tfrac{1}{2}kx^2 = \text{constant} \qquad U_{\max} = \tfrac{1}{2}k\,x_{\max}^2 = \tfrac{1}{2}\mu u^2 \]

最大壓縮的瞬間,兩車的速度相同,都等於 \(v_{\mathrm{cm}}\)——正是完全非彈性碰撞(\(e = 0\))後的狀態;這時彈簧儲存的位能 \(\tfrac{1}{2}\mu u^2\) 恰好等於完全非彈性碰撞損失的動能。差別在於彈簧會把能量還回來,而黏在一起的兩車不會。

模擬方法

參考資料