在物理学中,当两个物体相碰撞时,碰撞的接触面均为曲面(平面是特殊的曲面),则通过其首先接触的一点,可作一公法线,若碰撞时两物体的质心都在这一公法线上,这种碰撞叫做对心碰撞。两物体质心速度指向公法线上的碰撞就叫做对心正碰撞,简称正碰。例如,沿同一直线运动的两个小球的碰撞就是正碰。
本文将从物理守恒定律出发,探讨在对心正碰中,不同情况下速度的变化规律,分别涉及完全弹性碰撞、非完全弹性碰撞以及完全非弹性碰撞三种情况。
假设两个物体的质量分别为m1和m2,碰撞前的速度分别为u1和u2,碰撞后的速度分别为v1和v2。整个过程满足动量守恒定律,结合其他条件,可以得到碰撞后速度的解析表达式。
完全弹性碰撞
完全弹性碰撞是最理想的碰撞形式,在这种情况下,系统的动量和机械能都守恒。动量守恒条件为:
机械能守恒条件为:
通过解这两个方程,可以得到碰撞后速度的表达式:
从公式中可以看出,碰撞后物体的速度取决于它们的质量比和碰撞前的速度差。对于质量相等的物体,弹性碰撞后两物体会交换速度。
非完全弹性碰撞
非完全弹性碰撞是现实中常见的一种碰撞形式,此时动量守恒仍然适用,但系统的机械能部分损失,以热量或形变能的形式释放。为了定量描述碰撞的弹性程度,引入恢复系数e,其定义为:
恢复系数的取值范围为(0<e<1),当e=1时为完全弹性碰撞;当e=0时为完全非弹性碰撞。结合动量守恒,可以得到碰撞后速度的通用表达式:
通过调节恢复系数的大小,可以描述不同的碰撞情形。恢复系数越小,碰撞过程中损失的机械能越多。
完全非弹性碰撞
完全非弹性碰撞是特殊的非完全弹性碰撞,在这种碰撞中,两个物体在碰撞后完全粘合在一起,形成一个整体,具有相同的速度。此时,动量守恒仍然适用,但机械能损失达到最大。碰撞后的共同速度为:
这个速度表示两物体作为一个整体的运动状态。完全非弹性碰撞在实际中较为常见,例如汽车碰撞后粘连的情况。
不难看出,当非完全弹性碰撞速度公式中的恢复系数e=1时,公式就变成完全弹性碰撞速度公式,e=0时,就变成完全非弹性碰撞公式。
碰撞理论虽然简单,但非常实用,例如可以用他描述化学反应速率(化学反应的质量作用定律)。