的恢复系数是的两个机构碰撞的方法的相对距离和速度的相对速度之比。碰撞后将实体合并时,该商为零。在碰撞是完全弹性的情况下,团结是值得的。
假设两个质量分别为M1和M2的实体球发生碰撞。刚好在碰撞之前,球体相对于某个惯性参考系具有速度V1和V2。碰撞后,它们的速度立即变为V1'和V2'。
图1.质量为M1和M2的两个球体的碰撞及其恢复系数e。由里卡多·佩雷斯编写。
速度中已使用粗体表示它们是矢量。
实验表明,每次碰撞都满足以下关系:
V1' - V2'= -e (V1 - V2)
其中e是0到1之间的实数,称为碰撞的恢复系数。上面的表达式解释如下:
碰撞前两个粒子的相对速度与碰撞后两个粒子的相对速度成比例,比例常数为(-e),其中e是碰撞的恢复系数。
赔偿系数是多少?
该系数的有用之处在于知道碰撞的非弹性程度。如果碰撞是完全弹性的,则系数将为1,而在完全非弹性碰撞中,系数将为0,因为在这种情况下,碰撞后的相对速度为零。
相反,如果已知碰撞的恢复系数和之前的粒子速度,则可以预测发生碰撞后的速度。
动量
在碰撞中,除了恢复系数所建立的关系外,还有另一个基本关系,即动量守恒。
粒子的动量p或也称为动量,是粒子质量M与速度V的乘积。即,动量p是矢量。
在碰撞中,系统的线性动量P在碰撞之前和之后都是相同的,因为与碰撞期间的短暂但强烈的内部相互作用力相比,外力可以忽略不计。但是,保持系统动量P不足以解决碰撞的一般问题。
在前面提到的情况下,在质量M1和M2的两个碰撞球体中,线性动量守恒写成这样:
M1 V1 + M2 V2 = M1 V1' + M2 V2'。
如果恢复系数未知,则无法解决碰撞问题。必要时,动量守恒不足以预测碰撞后的速度。
当问题指出碰撞后物体仍保持运动时,它隐含地表示恢复系数为0。
图2.在撞球中,碰撞的恢复系数小于1。
能量与恢复系数
碰撞中另一个重要的物理量是能量。在碰撞过程中,会交换动能,势能和其他类型的能量,例如热能。
在碰撞之前和之后,相互作用的势能实际上为零,因此能量平衡涉及粒子前后的动能以及称为耗散能的量Q。
对于两个碰撞的质量球M1和M2,碰撞前后的能量平衡写为:
½M1 V1 ^ 2 +½M2 V2 ^ 2 =½M1 V1' ^ 2 +½M2 V2' ^ 2 + Q
当碰撞过程中的相互作用力纯粹是保守的时,就会发生碰撞粒子的总动能守恒的情况,即碰撞前后的动能相同(Q = 0)。当发生这种情况时,碰撞被认为是完全弹性的。
在发生弹性碰撞的情况下,不会消耗任何能量。恢复系数也满足:e = 1。
相反,在非弹性碰撞中Q≠0和0≤e <1。我们知道,例如,撞球的碰撞不是完全弹性的,因为在撞击过程中发出的声音是耗散能量的一部分。
为了完全确定碰撞问题,有必要知道恢复系数,或者知道碰撞过程中耗散的能量。
恢复系数取决于碰撞过程中两个物体之间相互作用的性质和类型。
就其本身而言,碰撞前物体的相对速度将确定相互作用的强度,从而确定其对恢复系数的影响。
恢复系数如何计算?
为了说明如何计算碰撞的恢复系数,我们将举一个简单的例子:
假设两个质量为M1 = 1 kg和M2 = 2 kg的球体在一条直线上碰撞而没有摩擦(如图1所示)。
第一个球以初始速度V1 = 1 m / s撞击第二个最初处于静止状态的球,即V2 = 0 m / s。
碰撞后,它们以这种方式运动:第一个停止(V1'= 0 m / s),第二个以速度V2'= 1/2 m / s向右移动。
为了计算该碰撞中的恢复系数,我们应用以下关系式:
V1'-V2' = -e ( V1-V2 )
0 m / s-1/2 m / s =-e(1 m / s-0 m / s)=>-1/2 =-e => e = 1/2
例
在上一节的两个球体的一维碰撞中,计算了其恢复系数,得出e =½。
由于e≠1,因此碰撞不是弹性的,也就是说,系统的动能不守恒,并且存在一定量的耗散能量Q(例如,由于碰撞而导致的球体加热)。
确定以焦耳为单位的能量耗散值。还计算耗散能量的百分比。
解
球1的初始动能为:
K1i =½M1 V1 ^ 2 =½1千克(1 m / s)^ 2 =½J
而球2的值是零,因为它最初处于静止状态。
那么系统的初始动能为Ki =½J。
碰撞之后,只有第二个球体以速度V2'=½m / s移动,因此系统的最终动能为:
Kf =½M2 V2'^ 2 =½2千克(½m / s)^ 2 =¼J
也就是说,在碰撞中耗散的能量为:
Q = Ki-Kf =(1/2 J-¼J)= 1/4 J
并且在此碰撞中耗散的能量比例计算如下:
f = Q / Ki =¼/½= 0.5,也就是说,系统的50%的能量由于恢复系数为0.5的非弹性碰撞而被耗散。
参考文献
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- Figueroa,D.,2005年。系列:科学与工程物理。第1卷。运动学。由Douglas Figueroa(USB)编辑。
- Knight,R.,2017年。《科学家与工程物理:一种策略方法》。皮尔森
- 西曼·泽曼斯基。2016.大学物理与现代物理学。14日 编辑卷1。
- 维基百科。运动量从以下网址恢复:en.wikipedia.org。