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牛顿力学

非弹性碰撞

非弹性碰撞不守恒机械动能;孤立系统的总动量仍守恒。

部分初始动能转化为内能、热、声音或形变。物体粘在一起的碰撞称为完全非弹性碰撞。

∑imiu⃗i=∑imiv⃗i,e=0:v⃗1=v⃗2=V⃗\sum_i m_i\vec u_i=\sum_i m_i\vec v_i, \qquad e=0:\quad \vec v_1=\vec v_2=\vec V

定义: 完全非弹性碰撞

物体粘连且水平外力冲量可忽略时,V⃗=∑miu⃗i/∑mi\vec V=\sum m_i\vec u_i/\sum m_i。动量守恒,但机械动能减少。

调整质量和速度,比较非弹性碰撞前后的动量与动能。

求解碰撞问题

选取包含两物体的系统并规定正方向,使用动量守恒。一维完全非弹性碰撞的共同速度为 V=(m1u1+m2u2)/(m1+m2)V=(m_1u_1+m_2u_2)/(m_1+m_2)。转化的能量并未消失。

例题: 小车粘连

一辆2 kg小车以4 m/s向右运动,与一辆以1 m/s向左运动的3 kg小车粘连。求共同速度。

解答

取向右为正:V=[2(4)+3(−1)]/(2+3)=1V=[2(4)+3(-1)]/(2+3)=1 m/s,向右。

快速检测

完全非弹性碰撞中减少的动能可由碰撞前后状态计算,但能量并未消失,而是转化为内能、声音和形变。质量为 m1,m2m_1,m_2、沿同一直线初速度为 u1,u2u_1,u_2 时,动能损失为 DeltaKlost=frac12mu(u1−u2)2Delta K_{lost}= frac12mu(u_1-u_2)^2,其中约化质量 mu=m1m2/(m1+m2)mu=m_1m_2/(m_1+m_2)。此式说明碰撞前的相对速度决定损失大小。

代入前先用速度符号表示反向运动;除非质量相等,共同末速度不能取算术平均。可将末速度乘以总质量,检查是否还原初始总动量。若结果为负,表示粘连后的物体沿所选负方向运动。

例如,两个等质量小车以相同速率反向运动时,初始总动量为零;若碰后粘在一起,就会静止。这并不违反守恒定律:零动量仍守恒,而初始动能转化为其他形式。该例说明不能只凭一个物体的速度预测粘连后的运动。

孤立系统完全非弹性碰撞中什么守恒?

两物体碰撞后粘在一起属于哪种碰撞?

参考文献

  1. Young, Freedman (2019). University Physics