动量与碰撞
Momentum and collisions
开始之前
一辆装着货物的小车撞上另一辆。碰撞后,它可能慢下来、停住,甚至往回走;另一辆车也可能被推着向前。只看其中一辆,运动仿佛被突然改变了。把两辆一起看,会不会发现某种仍然对得上的数量?
请先选一次碰撞,停在接触之前,猜猜哪辆车会受到更明显的速度改变。再播放,比较你的猜想与结果。质量和速度都要保留下来:同样的速度,空车与装满货物的车并不一样。把质量乘以带方向的速度,得到的量叫作动量。在碰撞期间外力的总作用可以忽略时,两辆车的总动量保持不变;各自的动量仍然可以改变。
这会不会意味着碰撞后“什么都没损失”?还不能这样说。让两辆车粘在一起再试一次,我们还要另算一项与运动有关的量——动能。下面会解释它的算法。比较两次结果,才能看清“总动量不变”究竟说了什么,又没有说什么。
实验设置A 起初在左,B 在右,轨道无摩擦,向右速度为正。碰撞缓冲器像弹簧一样压缩;弹性模式释放储能,粘连模式在最大压缩处锁住并把储能转为内能。
怎样观察先用两辆质量相同的小车,按播放;接触过程会放慢,方便观察。接触期间,橙色箭头表示每辆车对另一辆车的力:大小相等、方向相反,作用时间也相同。所以一辆车得到多少动量,另一辆就失去多少,总动量读数 保持不变。然后改变其中一辆车的质量,再做一次。这时两车的加速度不同,因为同样的力让较轻的车速度变化更大,可总动量仍然不变。最后切换到粘连模式,比较碰撞前后的总动能。
先预测一辆车撞向同质量静止车,弹性碰后谁会继续运动?
从一次碰撞到下一次:牛顿摆
五颗等质量钢球分别悬挂在两根细线下。把端部球向外拉起后松手:它下降、加速,再挤压相邻钢球。短暂的弹性压缩把能量沿球列传递,另一端的球随之升起。也可以试着同时释放两颗球。
红色表示各球拥有的动能、重力势能以及接触时暂存的弹性势能,不代表钢球发热。相邻球在接触中施加等大反向的力。理想弹性碰撞链近似让另一端相同数量的球摆起;实际牛顿摆会逐渐把部分能量传给声音、形变和空气。
通过碰前与碰后的同一组读数区分两个守恒命题。
前置知识:动量 带方向;动能 是标量。系统指我们选出来、一起研究的那些物体;哪些量守恒,与所选系统的边界有关。从两辆相同小车开始
先预测一辆车撞向同质量静止车,弹性碰后谁会继续运动?
先把向右记为正。动量定义为质量乘有方向的速度,。碰撞的两辆车互相推,牛顿第三定律给两车大小相等、方向相反的力;把接触过程分成足够短的小时间段,每段的动量改变近似为 。两车的改变逐段相反,相加后仍抵消,因此两车总动量守恒。接触力在变化,不能用某一瞬间的力乘整个接触时间。弹性碰撞还满足碰撞前后总动能相同,这是一种碰撞条件,不是动量守恒自动带来的结论。
现在两车质量都为,碰前速度分别为和0,碰后为和。动量等式除以,能量等式除以,得到下面两式。动能 的来由是力做功:,把速度0到的小贡献相加是底、高的三角形面积。
因此至少一个末速度为零。、 是尚未交换动量的原状态;真正完成接触并分离后的解是 、。默认,于是停下,以3 m/s前进。播放时蓝色能量从转到,传过去的不是质量。
怎样观察
- 在碰撞前后暂停,核对总动量
- 比较等质量弹性碰撞中的速度交换
- 改为完全非弹性碰撞,追踪内能增加
这个模型简化了什么
无外界水平冲量的一维碰撞;接触用 100000 N/m 的理想弹性缓冲建模,接触阶段慢放。完全非弹性模式在最大压缩处锁定,将缓冲势能转入内能;忽略轮子转动动能。弹性碰撞的恢复系数为 1,完全非弹性碰撞的恢复系数为 0,后者碰后共同运动。赭色表示内部能量增加,包含形变等耗散,并非温度或发光;橙色箭头按同一比例表示瞬时接触力。播放时,相机和轨道刻度保持固定;小车、蓝色速度箭头和数值读数都采用实验室参考系,向右为正。空车质量为 0.5 kg,每块货物增加 0.1 kg。能量条显示两车系统的总能量分配,颜色不表示温度。
