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運動量 ​

力積と運動量 ​

考虑一静止物体做功,有:

W=Fs=ma⋅v22a=12mv2

考虑将 Fs,即力在路程上的积累定义为功 W,右边的 12mv2 定义为动能 Ek,则我们可得动能定理:

W=ΔEk

同样,我们考虑力在时间上的积累:

Ft=ma⋅a=mv

同样,我们将 Ft 定义为冲量(運動量) I,mv 定义为动量(運動量)p,则我们可得动量定理:

I=Δp

或者:

FΔt=mΔv

運動量保存則 ​

在系统所受合外力为 0 的情况下,系统有动量守恒定律:

Fdt=dp

或者:

mv1+mv2=mv1′+mv2′

下面尝试一般性的推导:

设有物体 A,B,F1,F2 分别为 B 对 A 的作用力及 A 对 B 的作用力,F1′,F2′ 分别为 A,B 收到其它外力之和,有:

(F1+F1′)dt=dP1(F2+F2′)dt=dP2

两式相加:

(F1+F2)dt+(F1′+F2′)dt=dP1+dP2=dP

由于:

F1+F2=0

设 F 为系统所受合外力,那么原式可以简化成:

Fdt=dp

有下列两种情况值得注意:

  1. F=0,则 dp=0,说明若系统所受合外力为 0,系统总动量守恒。
  2. F1′≪F1,F2′≪F2,则仍有 dp=0,说明若内力远大于外力(碰撞、爆炸瞬间),可以认为系统总动量守恒。

衝突 ​

完全弾性衝突 ​

{m1v1+m2v2=m1v1′+m2v2′12m1v12+12m2v22=12m1v1′2+12m1v2′2

一般根据上述式子即可求出 v1′,v2′,但计算量过大,我们可进行如下变形:

{m1(v1−v1′)=−m2(v2−v2′)m1(v12−v1′2)=−m2(v22−v2′2)

可得重要关系式:

v1+v1′=v2+v2′

可以解得:

{v1′=m1−m2m1+m2v1+2m2m1+m2v2v2′=2m1m1+m2v1+m2−m1m1+m2v2

反発係数 ​

我们定义恢复系数(反発係数)e:

e=−v1′−v2′v1−v2

当 e=1 时,机械能不损失,发生完全弹性碰撞。e=0 时,两物体最终共速,发生完全非弹性碰撞。

当 0<e<1 时,发生非完全弹性碰撞。这种时候,动量守恒,但是机械能不一定守恒。我们有:

{m1(v1−v1′)=−m2(v2−v2′)e=−v1′−v2′v1−v2

可解得:

{v1′=m1−em2m1+m2v1+(1+e)m2m1+m2v2v2′=(1+e)m1m1+m2v1+m2−em1m1+m2v2

并且有碰撞中损失的机械能:

ΔE=(1−e2)12m1m2m1+m2(v1−v2)2