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研究自己的皮球

时间:2022-07-13 百科知识 版权反馈
【摘要】:绝大多数物体既不属于前者,也不属于后者:它们都属于“不是完全弹性的”物体。我们以皮球为例。为了弄清这个问题,我们要研究一下弹性物体的碰撞情况。该系数等于皮球下落的高度和弹起的高度的比值的平方根。那么,网球的“恢复系数”值的范围则在~之间,计算结果为0.71~0.78。人们曾做了一个实验,让一个“恢复系数”为0.76的皮球从250厘米的高度落下,在真空的状态下它第二次弹起应该为84厘米,而事实上它弹起了83厘米。


在上一节中我们提到过的物体碰撞公式,在实践中很少能够直接应用。大多数情况下,被大致认为是“完全没有弹性”和“完全弹性”的物体是极少见的。绝大多数物体既不属于前者,也不属于后者:它们都属于“不是完全弹性的”物体。我们以皮球为例。我们不害怕古代寓言作家的嘲笑,要问自己:皮球是什么东西?从力学的角度看是完全弹性的或者不是完全弹性的?

检测皮球是否是弹性物体的方法很简单:只要让它从一定的高度落到一个坚硬的平面上就可以了。完全弹性的球落下后还应该弹回到它原来的高度。

利用弹性物体碰撞公式就能得出这样的结果:

y=2x-v1=[2×(m1×v1+m2×v2)/(m1+m2)]-v1

将这个公式应用于向静止的平面碰撞的球体情况下,我们可以认为平面的质量m2是无限大的,而它的速度几乎等于0:m2=∞,v2=0。把这个数值代入上面的公式中计算一下,分解m2的分子和分母:

y=2(m1/m2×v1+v2)/(m1/m2+1)-v1

代入数值后得出结果:

y=2(m1/∞×v1+0)/(m1/∞+1)-v1

因为m1/∞=0,那么分数公式变为:

y=-v1

如果皮球必须从平面上弹回到原有的高度,就应该达到那样的速度。从高度为H处落下,物体所具有的速度为:

用这样的速度v垂直向上弹起时,物体达到的高度为:

h=v2/2g

计算出,h=H:皮球与平面碰撞后应该弹起到它落下的地方。

不是完全弹性的皮球在碰撞后则不能弹回到原来的高度(从物理学意义上很容易得出这样的结论)。

那么,不是完全弹性的皮球的情形是什么样的呢?为了弄清这个问题,我们要研究一下弹性物体的碰撞情况。皮球落到平面后它的接触面会凹陷下去,这个使球面凹陷的力使皮球的速度降低。在此之前,皮球与没有弹性的物体情况相同,即这时它的速度为x,而减少了的速度为v1-x。但是受到压力而凹陷的部分立刻重新开始凸起,此时皮球会去挤压阻碍它凸起的平面,于是这股新的力量作用于球体后也降低了它的速度。此时,如果皮球完全恢复了原有的形状,也就是它重新经历了受到挤压变形时所经历的改变形状的阶段,那么它刚刚失去的速度应该等于前一阶段它所失去的速度,即:v1-x,总而言之,完全弹性的皮球的速度应该减少了2×(v1-x),等于:

v1-2(v1-x)=2x-v1

当我们说皮球“不是完全弹性”时,其实我们是想说,在外力作用下,这个球形状发生改变后,无法完全恢复到原来的形状。而且,在恢复原来形状的过程中,作用在球上的力已经比使它形状发生变化时的力小,如此一来,在恢复原来形状过程中,皮球所减少的速度也要比发生形状改变时的速度小。这个速度值不等于v1-x,而只是这个数值的一部分,用数e表示(也可以称为“恢复系数”)。这样一来,物体在弹性碰撞第一阶段失去的速度等于v1-x,在第二阶段失去的速度等于e×(v1-x)。总共失去的速度等于:(1+e)×(v1-x),而碰撞后剩余的速度y等于:

y=v1-(1+e)×(v1-x)=(1+e)x-ev1

至于被撞击物体的速度z(这里指地面),它在皮球的作用下根据反作用定律而后退,这个速度不难计算,应该等于:

z=(1+e)x-ev2

两个速度的差为z-y= ev1- e×v2=e(v1-v2),由此得出“恢复系数”:

e=(z-y)/(v1-v2

对于向固定不动的平面上撞击的皮球而言,速度z=(1+e)x-ev2=0,v2=0,因此,e=-y/v1

这样一来,我们就有办法计算出皮球的“恢复系数”e,“恢复系数”用来表示皮球的“不完全弹性”特质的“不完全”度。该系数等于皮球下落的高度和弹起的高度的比值的平方根。

第一个题目为:一个球从高H的空中落下,它第二次、第三次以及以后每次弹起来的高度分别为多少?

后面的计算以此类推。

假如这个球是从埃菲尔铁塔上落下来(高度H=300米),如果不计算空气的阻力,它第一次弹起的高度为168米,第二次弹起的高度为94米,等等,不再重复阐述。事实上,由于速度很大,所以空气的阻力也很大。

第二个题目:球从H高度落下后能保持多长时间的蹦跳?

我们知道,H=gT2/2;h=gt2/2;h1=gt12/2…

于是,每次弹起的时间总和等于:

T+2×t+2×t1+2×t2+…

代入数值:H=250厘米,g=9.8米/秒2,e=0.75,得出球蹦跳的总时间为5秒,即球会持续蹦跳5秒钟。

如果球是从埃菲尔铁塔的顶端落下,那么它会持续蹦跳大约1分钟,更准确地说是54秒,如果球仅仅作了碰撞运动。

从几米高的地方落下时速度不会很大,因而空气阻力也不会大。人们曾做了一个实验,让一个“恢复系数”为0.76的皮球从250厘米的高度落下,在真空的状态下它第二次弹起应该为84厘米,而事实上它弹起了83厘米。可见,空气阻力几乎没有产生什么影响。

图45 从埃菲尔铁塔上落下的球能弹起多高


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