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衝突と運動量保存md 43bebae
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衝突しょうとつ運動量保存うんどうりょうほぞん

date2026-07-14document_iddoc_6b332e12a40640d2776e9d3618d1ebd2description衝突を外力の力積が小さい短時間相互作用として扱い、運動量保存、反発係数、弾性・非弾性の違いを証明付きで整理する講義である。prerequisites運動量と力積 / 仕事と力学的エネルギー / 一次方程式type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/mechanics/momentum-and-impulse.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/collisions-in-the-center-of-mass-frame.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/work-and-mechanical-energy.lecture.n.md
physicsmechanicscollisionmomentum-conservationlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、衝突中しょうとつちゅうおおきな接触力せっしょくりょく直接ちょくせつわず、衝突前しょうとつまえ衝突後しょうとつご運動量うんどうりょうむす方法ほうほう説明せつめいする。

衝突しょうとつでは接触時間せっしょくじかんみじかい。外力がいりょく力積りきせきが 0 なら、けい全体ぜんたい運動量うんどうりょう厳密げんみつ保存ほぞんする。外力がいりょく力積りきせき接触力せっしょくりょく力積りきせきくらべて十分じゅうぶんちいさいなら、運動量保存うんどうりょうほぞん近似式きんじしきとして使つかえる。未知みち速度そくどふたつある場合ばあいは、反発係数はんぱつけいすうまたはエネルギー保存ほぞん追加条件ついかじょうけんとして使つかう。

2用語ようご定義ていぎ

衝突しょうとつcollisionとは、短時間たんじかんおおきな相互作用そうごさようはたらき、速度そくどきゅう変化へんかする過程かていである。

反発係数はんぱつけいすうcoefficient of restitution e は、接触法線方向せっしょくほうせんほうこうについて、はなれる相対速度そうたいそくどおおきさをちかづく相対速度そうたいそくどおおきさでったりょうである。

1 次元じげんで、正方向せいほうこう物体ぶったい 1 から物体ぶったい 2 へかうきにり、衝突前しょうとつまえu1>u2 とする。衝突後しょうとつごはなれるきで速度そくどv1,v2けば、ちかづく相対速度そうたいそくどu1-u2はなれる相対速度そうたいそくどv2-v1 なので、

v2-v1=e(u1-u2)

ける。

完全非弾性衝突かんぜんひだんせいしょうとつperfectly inelastic collisionとは、衝突後しょうとつご一体いったいとなり、v1=v2 となる衝突しょうとつである。

弾性衝突だんせいしょうとつelastic collisionとは、運動量うんどうりょうだけでなく運動うんどうエネルギーも保存ほぞんする衝突しょうとつである。

3方針ほうしん

1 次元じげんの 2 物体ぶったい衝突しょうとつでは、つぎ順序じゅんじょすすめる。

  1. けいめる。
  2. 正方向せいほうこうめ、速度そくど符号ふごうつきでく。
  3. 外力がいりょく力積りきせきが 0 か、または近似的きんじてき無視むしできるか確認かくにんする。
  4. 厳密げんみつ保存式ほぞんしき近似式きんじしきかを区別くべつして運動量うんどうりょうしきてる。
  5. 反発係数はんぱつけいすう完全非弾性かんぜんひだんせい、または弾性だんせい条件じょうけん追加ついかする。

4保存則ほぞんそく 1:衝突中しょうとつちゅう運動量うんどうりょう保存ほぞん近似きんじ

衝突中しょうとつちゅう外力がいりょく力積りきせきIext とする。

  • Iext=0 なら、けい全体ぜんたい運動量うんどうりょう厳密げんみつ保存ほぞんする。
  • Iext0 とみなせるなら、けい全体ぜんたい運動量うんどうりょう近似的きんじてき保存ほぞんする。

4.1証明しょうめい

運動量うんどうりょう力積りきせき定理ていりより、けい全体ぜんたいについて

ΔP=Iext

である。もし

Iext=0

なら、

ΔP=0

である。したがって衝突前しょうとつまえ衝突後しょうとつご全運動量ぜんうんどうりょう厳密げんみつひとしい。

1 次元じげんの 2 物体ぶったいでは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]m1u1+m2u2=m1v1+m2v2

である。

衝突時間しょうとつじかんみじかく、外力がいりょく力積りきせき

Iext0

とみなせるなら、

ΔP0

となる。この場合ばあい運動量保存式うんどうりょうほぞんしき近似式きんじしきである。

5関係式かんけいしき 2:反発係数はんぱつけいすう速度そくど決定けってい

1 次元じげんの 2 物体ぶったい衝突しょうとつで、外力がいりょく力積りきせきが 0 であり、さらにうえさだめたきの約束やくそくのもとで反発係数はんぱつけいすう eあたえられると、衝突後しょうとつご速度そくど

v1=(m1-em2)u1+(1+e)m2u2m1+m2
v2=(m2-em1)u2+(1+e)m1u1m1+m2

あたえられる。

5.1証明しょうめい

運動量保存うんどうりょうほぞん

m1u1+m2u2=m1v1+m2v2[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"tag\")")]1

である。反発係数はんぱつけいすうしき

v2-v1=e(u1-u2)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"tag\")")]2

である。(2) より

v2=v1+e(u1-u2)

である。これを (1) に代入だいにゅうすると

m1u1+m2u2=(m1+m2)v1+m2e(u1-u2)

である。したがって

v1=m1u1+m2u2-m2e(u1-u2)m1+m2

となり、整理せいりして

v1=(m1-em2)u1+(1+e)m2u2m1+m2

る。さらに (2) へもどすと

v2=(m2-em1)u2+(1+e)m1u1m1+m2

る。

6整理せいり 3:完全非弾性衝突かんぜんひだんせいしょうとつ

完全非弾性衝突かんぜんひだんせいしょうとつでは、衝突後しょうとつご共通速度きょうつうそくど v

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v=m1u1+m2u2m1+m2

である。

6.1証明しょうめい

完全非弾性衝突かんぜんひだんせいしょうとつでは、衝突後しょうとつごに 2 物体ぶったい一体いったいとなるので v1=v2=v である。運動量保存うんどうりょうほぞん代入だいにゅうすると

m1u1+m2u2=(m1+m2)v

である。m1+m2>0 なので両辺りょうへんり、

v=m1u1+m2u2m1+m2

る。

7単位たんい条件じょうけん

運動量保存うんどうりょうほぞん各項かくこう mv

m[kg;M]×v[m/s;LT-1]mv[kgm/s;MLT-1]

である。反発係数はんぱつけいすう e相対速度そうたいそくどなので無次元むじげんである。

8具体例ぐたいれい 1:同質量どうしつりょう弾性衝突だんせいしょうとつ

おな質量しつりょう m の 2 物体ぶったいで、u1=u,u2=0e=1 とする。運動量保存うんどうりょうほぞん

u=v1+v2

であり、反発係数はんぱつけいすう

v2-v1=u

である。二式にしきくと

v1=0,v2=u

となる。同質量どうしつりょう弾性衝突だんせいしょうとつでは速度そくど交換こうかんされる。

9見分みわかた

  • 衝突しょうとつ瞬間しゅんかんでは、まず運動量保存うんどうりょうほぞん確認かくにんする。
  • 完全非弾性かんぜんひだんせいなら、衝突後しょうとつごv1=v2く。
  • 弾性衝突だんせいしょうとつなら、e=1 または運動うんどうエネルギー保存ほぞん追加ついかする。
  • 非弾性衝突ひだんせいしょうとつでは、運動うんどうエネルギーは一般いっぱん保存ほぞんしない。
  • 2 次元じげんでは、反発係数はんぱつけいすう接触法線方向せっしょくほうせんほうこうだけに使つかう。

10どこまで成立せいりつするか

運動量保存うんどうりょうほぞん外力がいりょく力積りきせき無視むしできる範囲はんい使つかう。反発係数はんぱつけいすう材質ざいしつかたち衝突速度しょうとつそくど依存いぞんする実験的じっけんてきりょうである。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]m1u1+m2u2=m1v1+m2v2
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]v2-v1=e(u1-u2)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]vinelastic=m1u1+m2u2m1+m2

12一言ひとことでいうと

衝突しょうとつでは、短時間たんじかん内力ないりょく細部さいぶわりに、外力がいりょく力積りきせきちいさいことを根拠こんきょ運動量保存うんどうりょうほぞん使つかう。

13関連かんれんリンク

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