§ 91. СТОЛКНОВЕНИЕ ТЕЛ

Закон сохранения энергии позволяет рецдать механические задачи в тех случаях, когда почему-либо неизвестны действующие на тело хилы. Интересным примером именно такого случая является столкновение двух тел. Этот пример особенно интересен тем, что при его анализе нельзя обойтись одним только законом сохранения энергии. Нужно привлечь еще и закон сохранения импульса (количества движения).

В обыденной жизни и в технике не так уж часто приходится иметь дело со столкновениями тел, но в физике атома и атомных частиц столкновения — очень частое явление.

Для простоты мы сначала рассмотрим столкновение двух шаров массами из которых второй покоится, а первый движется по направлению ко второму со скоростью Будем считать, что движение происходит вдоль линии, соединяющей центры обоих шаров (рис. 205), так что при столкновении шаров имеет место так называемый центральный, или лобовой, удар. Каковы скорости обоих шаров после столкновения?

До столкновения кинетическая энергия второго шара равна нулю, а первого . Сумма энергий обоих шаров составляет:

Рис. 205

После столкновения первый шар станет двигаться с некоторой скоростью Второй шар, скорость которого была равна нулю, также получит какую-то скорость Поэтому после столкновения сумма кинетических энергий двух шаров станет равной

По закону сохранения энергии эта сумма должна быть равна энергии шаров до столкновения:

или

Из этого одного уравнения мы, конечно, не можем найти две неизвестные скорости: Вот тут-то на помощь и приходит второй закон сохранения — закон сохранения импульса. До столкновения шаров импульс первого шара был равен а импульс второго — нулю. Полный импульс двух шаров был равен:

После столкновения импульсы обоих шаров изменились и стали равными а полный импульс стал

По закону сохранения импульса полный импульс при столкновении измениться не может. Поэтому мы должны написать:

Так как движение происходит вдоль прямой, то вместо векторного уравнения можно написать алгебраическое (для проекций скоростей на координатную ось, направленную по скорости движения первого шара до удара):

Теперь мы имеем два уравнения:

Такую систему уравнений можно решить и найтн неизвестные скорости их и шаров после столкновения. Для этого перепишем ее следующим образом:

или

Разделив первое уравнение на второе, получим:

Решая теперь это уравнение совместно со вторым уравнением

(проделайте это самостоятельно), найдем, что первый шар после удара будет двигаться со скоростью

а второй — со скоростью

Если оба шара имеют одинаковые массы то Это значит, что первый шар, столкнувшись со вторым, передал ему свою скорость, а сам остановился (рис. 206).

Таким образом, пользуясь законами сохранения энергии и импульса, можно, зная скорости тел до столкновения, определить их скорости после столкновения.

А как обстояло дело во время самого столкновения в тот момент, когда центры шаров максимально сблизились?

Очевидно, что в это время они двигались вместе с некоторой скоростью . При одинаковых массах тел их общая масса равна 2т. По закону сохранения импульса во время совместного движения обоих шаров их импульс должен быть равен общему импульсу до столкновения:

Отсюда следует, что

Таким образом, скорость обоих шаров при их совместном движении равна половине

Рис. 206

скорости одного из них до столкновения. Найдем кинетическую энергию обоих шаров для этого момента:

А до столкновения общая энергия обоих шаров была равна

Следовательно, в самый момент столкновения шаров кинетическая энергия уменьшилась вдвое. Куда же пропала половина кинетической энергии? Не происходит ли здесь нарушения закона сохранения энергии?

Энергия, конечно, и во время совместного движения шаров осталась прежней. Дело в том, что во время столкновения оба шара были деформированы и поэтому обладали потенциальной энергией упругого взаимодействия. Именно на величину этой потенциальной энергии и уменьшилась кинетическая энергия шаров.

Задача 1. Шар, имеющий массу равную 50 г, движется со скоростью и сталкивается с неподвижным шаром, масса которого Каковы скорости обоих шаров после столкновения? Столкновение шаров считать центральным.

Решение. Скорость второго шара вычисляется по формуле

Подставив значения получим:

Значение же скорости их первого шара находим по формуле

Знак «минус» показывает, что после столкновения скорость этого шара изменится не только по абсолютному значению, но и по направлению (шар станет двигаться в противоположную сторону).

Задача 2. Шар массой двигаясь со скоростью сталкивается с неподвижным шаром, масса которого Каковы скорости шаров после столкновения, если столкновение центральное?

Решение. Скорость второго шара после столкновения:

Скорость первого шара после столкновения:

Теперь знак скорости такой же, как знак скорости Оба шара, следовательно, после столкновения движутся по одному направлению — так, как двигался первый шар до столкновения.