重心系で見る弾性衝突〜速度が反転するだけになる見方
の球が秒速 で、止まっている の球に弾性衝突します。答えは秒速 と 。
公式に代入しても出ますが、覚える式が 本あって符号を間違えやすい。重心といっしょに動きながら見ると、式が要らなくなります。
その視点では、どちらの球も速度の向きが反転するだけ[1]。大きさは変わりません。
弾性衝突は条件が 2 本
衝突では運動量がいつでも保存します。弾性衝突では、これに運動エネルギーの保存が加わる[2]。
未知数が つで式も 本なので解けます。ただし 本目が 乗を含むので、素直に解くと計算が重い。
本目を 次の式に置きかえられます。整理すると、次の関係が出てくる[2]。
近づく速さと遠ざかる速さが等しい、という意味です。相対速度は大きさが変わらず、符号だけが反転する。
重心はぶつかっても等速で動き続ける
球をまとめて つの系と見ると、外から力がはたらいていません。だから重心は等速直線運動を続けます[4]。
例の値では 。衝突の前も後も、この速さで動き続ける点があります。
その点といっしょに動く座標系を重心系といいます。この系では、 球の運動量の和がいつでも です[3]。
重心から見ると符号が変わるだけ
重心系での速度を と書きます。運動量の和が なので、 球は必ず反対向きに動いている。
衝突後も運動量の和は 、運動エネルギーの和も変わりません。この つを同時に満たすのは、両方の速さがそのままで向きだけが逆になる場合だけです[1]。
すり抜けて何も起きない場合を除けば、これしか残りません。弾性衝突の中身は、重心系で見れば向きの反転だけです。
重心の速度 V を引いて重心系へ移る
両方の速度の符号を反転させる
V を足して地上の系へ戻す
例:3 kg と 1 kg で試す
を引きます。重心系での速度は 、。
符号を反転させて 、。ここへ を足して戻します。
引き算、符号の反転、足し算。 乗はどこにも出てきません。
公式で書くとこうなる
同じ手順を文字のまま進めると、教科書の公式が出ます[2]。
、、、 を入れると、、。先ほどと一致します。
覚えておくなら公式より手順のほうが軽い。符号の入れ替わりで迷う場所がなくなります。
極端な場合を読む
質量の比を変えると、公式の意味が見えてきます[2]。
なら 、。速度がそっくり入れかわる。止まっている球に当てれば、当てた球が止まる
なら 。壁ではね返るのと同じで、相手はほとんど動かない
なら 。当てた側はほぼ減速せず、当てられた側が 倍の速さで飛ぶ
ビリヤードで手球と的球の質量が等しいのは、 本目の場合にあたります。まっすぐ当てれば手球はその場に止まる。
例:中性子をどう遅くするか
原子炉では、生まれたばかりの速い中性子を減速させます。 回の衝突で相手に渡せるエネルギーの割合は、質量の比で決まる。
中性子と水素の原子核は質量がほぼ等しいので、この値が 。 回の正面衝突で全部渡せます。
炭素なら 、鉛では しかありません。減速材に水や黒鉛を使い、鉛を使わない理由がこの式にあります。
質量の近いものどうしのほうがよく効く。重い相手にぶつけても、はね返ってくるだけでエネルギーが移りません。
エネルギーは 2 つに分かれる
系の運動エネルギーは、重心の動きぶんと、重心から見た動きぶんに分かれます[3]。
は 体をまとめて 体に読み替えるときの質量です。 項目は重心の運動で、衝突では変わりません。
例の値で計算します。、、相対速度は 。
合計 で、はじめの と一致しました。
衝突で失えるのは 項目だけです。完全に合体する衝突では が熱や変形に変わり、 は残る。運動量保存が 項目を守っているためです。
どんな衝突でも、重心の運動エネルギーは減りません。だから運動エネルギーがすべて失われる衝突は、重心が止まっている場合に限られます。
正面から同じ運動量でぶつかる 球なら なので、全部を失って両方が止まれる。
検算のしかた
答えが出たら、 つを確かめます。運動量の和と、運動エネルギーの和です。
例では、前が 、後が 。エネルギーは前が 、後が 。
もう一つ軽い確かめがあります。相対速度の符号が反転しているかどうか。前は 、後は 。
この 番目は暗算で終わります。公式の符号をどこかで間違えていると、まずここで合わなくなる。
静止している質量 の球に、同じ質量 の球が速さ で弾性衝突します。衝突後の様子はどれですか。
- 当てた球が止まり、当てられた球が で動く
- 両方が で同じ向きに動く
- 当てた球が ではね返る
重心といっしょに動きながら見る。この乗り換えを覚えておくと、衝突の問題は引き算と符号の反転に化けます。















重心の速度は v/2 です。重心系では両球が v/2 で近づき、反転して v/2 で遠ざかる。地上へ戻すと 0 と v になります。