惠更斯及碰撞研究

惠更斯及碰撞研究

我们为祖国服务，也不能都采用同一方式，每个人应该按照资禀，各尽所能。

——歌德

惠更斯是荷兰最著名的物理学家，他是英国皇家学会第一个外籍会员，是法国科学院唯一的外籍院士。他在物理学、数学和天文学方面他都有非常的贡献，是近代自然科学的重要开拓者之一。

惠更斯对完全弹性碰撞作了相当详尽的研究，提出了自己的碰撞理论。他的理论是以下述三个假设（公理）作为基础的：

（1） “运动起来的物体，在未受到阻碍作用时，将以不变的速度沿直线继续运动” 。

（2） “两个具有相同质量的物体，以相同的速度相向作对心碰撞后，两者都以相同的速度向相反方向运动。 ”

（3） “物体的运动以及它们的速度，必须看作是相对于另一些我们以为是静止的物体而言的，而不必考虑这些物体是否还参与另外的共同运动。因此，当两个物体相碰撞时，即使它们同时参与另一匀速运动，在也具有这个共同运动的观察者看来，两个物体的相互作用就好像不存在这个共同运动一样。 ”

根据这些假设，惠更斯做出断言：两个质量相同并以相同的速度相向运动的物体，在发生刚性的对心碰撞之后，都保留碰撞前的速度而相互弹开。这个结论被实验所证实了。

惠更斯进一步研究了两个质量相同的物体以不同的速度发生对心碰撞的情形。这里，他独具匠心地运用了相对性原理：想象一个人在以速度Ｕ做匀速运动的船上，用吊起的两个相同的钢球作碰撞实验。对船而言，两球以同样的速度Ｖ相接近而碰撞。根据假设（3） ，船上的人所看到的就是上面所说的那种最简单的碰撞，在碰撞后（对船而言）两球将保持碰撞前的速度而被弹开，这个过程对于站在岸上的人来说这两个球是以不同的速度（ Ｖ＋Ｕ）和（ Ｖ － Ｕ）相向碰撞的，碰撞后两球的速度分别变为（Ｖ － Ｕ）和（Ｖ＋Ｕ） 。于是就可以得出结论：两个相同的球以不同的速度发生对心碰撞后，将彼此交换速度。惠更斯还指出，这种情形的一个特例是：一个静止的球同一个质量相同的运动着的球碰撞后，后者立即停止，而原来静止的球则获得这一个速度前进。

最一般的情形是两个质量不同、运动速度也不同的刚性球的对心碰撞。惠更斯从一个特例，即两球的速度Ｖ₁，Ｖ₂和它们的质量Ｍ1，Ｍ2成反比的情况入手，再次采用假设（3） ，得出了最一般情况下碰撞后的速度。

惠更斯研究碰撞问题时的简单实验

特别值得指出的是，惠更斯在碰撞过程的研究中得出了许多重要的机械运动原理。他认为： “两个物体所具有的运动量在碰撞中都可以增多或减少，但是它们的量值在同一个方向的总和却保持不变，如果减去反方向的运动量的话。 ”他还指出： “两个，三个或任意多个物体的共同重心，在碰撞前后总是朝着同一方向做匀速直线运动。 ”这是很完善的动量守恒律的表述。惠更斯既看到了动量数值的变化，又强调了方向的问题，实际上是把适量概念引进了物理学，从而为牛顿运动定律的提出和适量力学的建立作了概念的准备，这是物理学思想的一个重大进步。在另一个定理中，惠更斯认为： “在两个物体的碰撞中，它们的质量和速度平方乘积的总和，在碰撞前后保持不变。 ”这就是完全弹性碰撞中机械能守恒定律的具体表现，后来在一个长时期内被称为“活力守恒” 。

碰撞问题的研究和动量守恒原理的发现，为建立作用和反作用准备了一定的条件，从而完成了伽利略以来为建立力学体系而作的奠基性工作。

惠更斯的《关于论碰撞作用下物体的运动》的论文在当时没有公开发表，在他1703年逝世后遗稿才被人发现。