两物体相碰撞时,在接触点处产生的相互作用的碰撞力仍然满足作用力与反作用力定律。在不考虑摩擦时,碰撞冲量
、
应沿着互撞物体表面的公法线方向。
碰撞过程可以分为两个阶段。第一阶段为变形阶段,从两物体开始接触、互相挤压、并产生微小变形,直到接触点的相对速度在公法线上的投影减小到零为止。在这一阶段中,碰撞物体主要是发生变形。第二阶段为恢复阶段,此时两物体由于弹性而恢复原来的变形,直至两物体重新分离为止。在这个阶段中,接触点相对速度的法向分量正负号改变,绝对值增加。当然,实际碰撞过程比这复杂得多,两个阶段很难明确划分,这里所述的只是理想化的情形。
完整地分析碰撞过程,必须考虑所研究的物体属理论力学范围内的物理性质。在这里我们引入从实验中归纳出来的牛顿假设:两物体碰撞后与碰撞前的接触点相对速度的法向分量大小之比为一常量,这个常量与碰撞时的速度以及物体的大小形状无关,而仅与材料的性质有关,常数的数值不大于1。
设
、
为碰撞开始时第一个和第二个物体接触处的绝对速度法向分量,
、
为碰撞结束时相应的绝对速度法向分量,则牛顿假设的数学表达式为
0≤e≤1
常数e称为恢复因数,实验证明,一般情况下,恢复因数与碰撞时的速度以及物体的大小形状无关,而仅与材料的性质有关。e的值在0与1之间,当e=1时,变形完全恢复,动能没有损失,称作完全弹性碰撞;而e =0时,物体的变形完全没有恢复,在碰撞后两物体接触点具有共同的速度,它们之间的相对速度等于零,这种碰撞称作塑性碰撞。对于一般物体,e值介于0与1之间,即0<e<1,这种碰撞称作弹性碰撞。
必须指出,牛顿假设只是实际碰撞过程的初步近似结果,它足够好地适用于局部变形的刚体碰撞。如果考虑碰撞时整个物体内部发生变形,则该假设不能应用。
恢复因数也可用下述简单的实验方法来测定。
设小球自高度h1 自由落下,碰撞固定平面后回弹高度为h2, 则小球碰撞前后的速度分别为
,
因固定平面的速度
,则有
若测得h1和h2,即可由求出恢复因数e 。
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