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運動量保存とはねかえり係数(衝突したあとの速さを求める)

衝突の問題は、保存する量とそうでない量を分けるところから始まります。運動量はどんな衝突でも変わらない。運動エネルギーは、弾性衝突のときだけ変わりません[1]。

だから式は 本要る。 本目が運動量保存、 本目がはねかえり係数の定義になる。未知数が つなので、これでちょうど解ける。

はねかえり係数は相対速度の比

物体の衝突では、近づく速さと遠ざかる速さの比が係数になります[4]。

負号は、向きが入れかわることを打ち消すために付く。値は から のあいだに収まる[1]。

が弾性衝突で、エネルギーが減りません。 は合体する衝突で、 物体が同じ速度になる。あいだの値では、減り方が中途半端になります。

例:合体する衝突

が で進み、静止した にぶつかって一体になります。 の場合。

運動量は で になります。合わせた質量で割る。

運動エネルギーのほうは減る。前は 、あとは に落ちた。

差の が変形と熱に変わりました。合体する衝突は、いちばん多くのエネルギーを失う形になる。

例:はねかえり係数が 0.50 の衝突

同じ 物体で とします。運動量保存と係数の定義を組み合わせれば、 つの速度が同時に出る[2]。

本目から が出るので、 本目へ入れる。

のほうは になる。ぶつけた側も同じ向きに進み続けますが、ずいぶん遅くなっている。

エネルギーは から へ減りました。 が と のあいだなので、減り方も中間になる。

例:弾性衝突

にすると、 になる。同じ手順で解きます。

ぶつけた側がはね返されました。軽いほうが重いほうに当たると、こうなる。

エネルギーを数えると で になる。前と同じ値で、まったく減っていません。

例:床ではねる高さ

床との衝突では、床が動かないので式が簡単になります。落ちる直前の速さと、はね上がる直後の速さの比が 。

速さは高さの平方根に比例するので、係数は高さの比の平方根で出る[3]。

から落として まではね上がれば です。逆にはね上がる高さは で求まる。

回はねたあとの高さは になる[4]。 で 回なら を掛けて まで落ちる。

実際の値

落として測ると、球ごとに違う値が出る[3]。

ゴルフボール0.86
ビリヤードの球0.80
テニスボール0.71
鋼球0.60

同じ球でも、当てる床が変われば値は変わります。 は球だけの性質ではなく、 つの物体の組み合わせで決まります。

例:斜めに床へ当てる

速さ の球が、床の法線から 度の向きで当たります。。

床に平行な成分は変わりません[1]。 が掛かるのは垂直な成分だけになる。

はね返ったあとの速さは、 成分から出る。

法線からの角は で 度になる。入射の 度より寝た向きへ出ていきます。

例:両方が動いている衝突

が右へ 、 が左へ 。右向きを正として で解きます。

運動量は で 。近づく速さは で です。

解くと 、 が出ます。どちらも向きが入れかわった。

エネルギーは から へ落ちています。近づく速さが大きいほど、失う量も大きくなる。

検算のしかた

衝突の問題には、答えを確かめる手が つあります。どれも数秒で済むので、解いたら通しておく。

出した速度から運動量を計算し直し、衝突の前と合うか見ます。
運動エネルギーが増えていないか見る。増えていれば必ずどこかが誤りです。
を定義に戻して計算し、与えられた値と合うか確かめる。
ぶつけた側が相手を追い越していないか見ます。 が を超えたら符号のとり違え。

つめは見落としやすい。速度を出したあと、 球の位置関係が成り立つかまで見る人は少ないためです。

は物体の材質だけで決まる定数ではありません。ぶつかる速さが大きいほど小さくなる傾向があり、高速の衝突では実測が要ります。

衝突の直前の相対速度。速いほど変形が大きくなり、もとに戻らないぶんが増える。

係数から速さを読む

静止した球に、同じ質量の球が で当たりました。 のとき、当てた側の速さはいくらになりますか。

__RESULT__

運動量から 、係数から です。足して 、引いて 。同じ質量どうしなら、 で速度が入れかわり、 で両方が になります。 はそのちょうど中間です。

参考文献

Surface Collisions and the Coefficient of Restitution - Mechanics Map, Engineering LibreTexts/10:_Impulse_and_Momentum_in_Particles/10.02:_Surface_Collisions_and_the_Coefficient_of_Restitution)
Den realen Stoß berechnen - Maschinenbau-Wissen
Coefficients of Restitution - The Physics Factbook
Physique des collisions - Femto-Physique
運動量はどんな衝突でも変わらず、運動エネルギーは弾性衝突のときだけ変わりません。だから式は $2$ 本で、$1$ 本目が運動量保存、$2$ 本目が $e$ の定義。$2.0\ \mathrm{kg}$ が $6.0\ \mathrm{m/s}$ で静止した $3.0\ \mathrm{kg}$ に当たる問題を、$e = 0$、$0.50$、$1$ の $3$ 通りで解き比べます。床では $e = \sqrt{h'/h}$ になり、$n$ 回はねると $e^{2n}h$ まで落ちる。斜めに当てる場合、両方が動いている場合、そして解いたあとに通す確かめ方まで。