的非弹性碰撞或非弹性碰撞是很短的,并且其中移动量被保持在两个物体之间的相互作用强烈,但不是动能,其被转化百分比能量的一些其它形式。
本质上,碰撞或碰撞是经常发生的。亚原子粒子以极高的速度碰撞,而许多运动和游戏则由连续碰撞组成。甚至星系也能够碰撞。
图1.测试汽车碰撞。资料来源:
实际上,只要碰撞的粒子形成一个孤立的系统,动量在任何类型的碰撞中都是守恒的。因此从这个意义上讲没有问题。现在,物体具有与其运动相关的动能。能量撞击时会发生什么?
在物体之间碰撞时发生的内力很大。当说不守恒的动能时,意味着动能被转换成其他类型的能量:例如,转换成声能(壮观的碰撞具有独特的声音)。
动能的更多使用可能性:摩擦热,当然还有物体碰撞时不可避免的变形,例如上图中的汽车车身。
非弹性碰撞的例子
-两质量的橡皮泥碰撞并保持在一起,碰撞后一体运动
-从墙壁或地板反弹的橡胶球。球撞击表面时会变形。
除了少数例外,并非所有动能都转化为其他类型的能量。对象可以保留一定量的这种能量。稍后,我们将看到如何计算百分比。
当碰撞的碎片粘在一起时,这种碰撞被称为完全无弹性的,并且两者常常最终一起运动。
一维完全无弹性的碰撞
图中的碰撞显示了质量为m 1和m 2的两个物体,分别以速度v i1和v i2彼此相对移动。一切都发生在水平方向上,也就是说,这是一维碰撞,最容易研究。
图2.不同质量的两个粒子之间的碰撞。资料来源:自制。
这些对象发生碰撞,然后粘在一起,向右移动。这是完全无弹性的碰撞,因此我们只需要保持动力:
动量是一个向量,其SI单位为Ns。在所述情况下,在一维处理碰撞时可以省去该向量符号:
系统的动量是每个粒子的动量的矢量和。
最终速度由下式给出:
恢复原状
有一个量可以指示碰撞的弹性。它是恢复系数,定义为碰撞后粒子的相对速度与碰撞前粒子的相对速度之间的负商。
令u 1和 u 2最初是粒子的各自速度。令v 1和v 2分别为最终速度。在数学上,恢复系数可以表示为:
-如果ε= 0,则等同于确认v 2 = v 1。这意味着最终速度是相同的,并且碰撞是无弹性的,就像上一节中描述的那样。
-当ε= 1时,表示碰撞前后的相对速度均不变,在这种情况下,碰撞是弹性的。
-如果0 <ε<1,则碰撞的动能的一部分转化为上述能量中的其他一些。
如何确定赔偿系数?
恢复系数取决于碰撞所涉及的材料类别。确定材料制造球的弹性的一个非常有趣的测试是将球放在固定的表面上并测量回弹高度。
图3.确定恢复系数的方法。资料来源:自制。
在这种情况下,固定板的速度始终为0。如果为其分配了索引1,而球索引2为:
最初建议将所有动能转化为其他类型的能量。毕竟,能量不会被破坏。运动的物体是否可能碰撞并结合在一起,从而形成一个突然静止的单个物体?这不是那么容易想象的。
但是,让我们想象一下它是相反发生的,就像在反面看电影一样。因此,该对象最初处于静止状态,然后爆炸分解成各个部分。这种情况是完全有可能的:这是爆炸。
因此,爆炸可以看作是时间倒退观察到的完全无弹性的碰撞。动量也保持不变,可以说:
工作实例
-运动1
通过测量可知,钢的回复系数为0.90。将钢球从7 m的高度掉落到固定板上。计算:
a)它会反弹多高。
b)第一次与表面接触和第二次接触之间需要多长时间。
解
a)使用先前在确定恢复系数的部分中推导的方程式:
高度h 2被清除:
0.90 2。7 m = 5.67 m
b)为了使其上升5.67米,要求速度由下式给出:
t max = v o / g =(10.54 / 9.8 s)= 1.08 s
返回所需的时间是相同的,因此爬升5.67米并返回起点的总时间是最大时间的两倍:
t 飞行 = 2.15 s。
-练习2
该图显示了一块质量为M的木头以垂线的方式在摆锤模式下悬挂在静止状态。这称为弹道摆,用于测量进入质量为m的子弹的速度v。子弹击中障碍物的速度越快,其上升的速度就越高。
图像中的项目符号嵌入块中,因此完全是无弹性的。
图4.弹道。
假设9.72克子弹击中了质量为4.60千克的块,则组件从平衡点上升16.8厘米。子弹的速度v是多少?
解
在碰撞过程中,一旦子弹将自身嵌入块中,动量将保持不变,而u f是整体速度:
该块最初处于静止状态,而子弹以速度v对准目标:
U f尚不清楚,但是在碰撞之后,机械能得以保留,这是重力势能U与动能K的总和:
初始机械能=最终机械能
重力势能取决于装置到达的高度。对于平衡位置,初始高度是作为参考高度的高度,因此:
多亏了子弹,该组件具有动能K o,当组件达到其最大高度h时,该动能被转换为重力势能。动能由下式给出:
最初的动能为:
请记住,子弹和方块已经形成质量为M + m的单个对象。当它们达到最大高度时,重力势能为:
从而:
-练习3
图中的物体爆炸成三个碎片:两个相等质量,另一个较大质量为2m。该图显示了爆炸后每个碎片的速度。物体的初始速度是多少?
图5.爆炸成3个碎片的石头。资料来源:自制。
解
这个问题需要使用两个坐标:x和y,因为其中两个碎片的垂直速度,而其余碎片的水平速度。
对象的总质量是所有碎片的质量之和:
动量在x轴和y轴上均守恒,分别升高:
- 4m u x = mv 3
- 4m u y = m。2V 1 - 2米。v 1
请注意,大片段以速度v1向下移动,以表明此事实已在其上放置了负号。
从第二个方程式可以立即得出u y = 0,从第一个方程式我们可以立即求解出ux:
参考文献
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