衝突と運動量保存
physicsmechanicscollisionmomentum-conservationlecture
1導入
この講義では、衝突中の大きな接触力を直接追わず、衝突前と衝突後を運動量で結ぶ方法を説明する。
衝突では接触時間が短い。外力の力積が 0 なら、系全体の運動量は厳密に保存する。外力の力積が接触力の力積に比べて十分小さいなら、運動量保存は近似式として使える。未知の速度が二つある場合は、反発係数またはエネルギー保存を追加条件として使う。
2用語と定義
衝突とは、短時間に大きな相互作用が働き、速度が急に変化する過程である。
反発係数 e は、接触法線方向について、離れる相対速度の大きさを近づく相対速度の大きさで割った量である。
1 次元で、正方向を物体 1 から物体 2 へ向かう向きに取り、衝突前に u_1>u_2 とする。衝突後に離れる向きで速度を v_1,v_2 と書けば、近づく相対速度は u_1-u_2、離れる相対速度は v_2-v_1 なので、
v_2-v_1=e(u_1-u_2)
と書ける。
完全非弾性衝突とは、衝突後に一体となり、v_1=v_2 となる衝突である。
弾性衝突とは、運動量だけでなく運動エネルギーも保存する衝突である。
3方針
1 次元の 2 物体衝突では、次の順序で進める。
- 系を決める。
- 正方向を決め、速度を符号つきで置く。
- 外力の力積が 0 か、または近似的に無視できるか確認する。
- 厳密な保存式か近似式かを区別して運動量の式を立てる。
- 反発係数、完全非弾性、または弾性の条件を追加する。
4保存則 1:衝突中の運動量の保存と近似
衝突中の外力の力積を \vec I_{\mathrm{ext}} とする。
- \vec I_{\mathrm{ext}}=\vec0 なら、系全体の運動量は厳密に保存する。
- \vec I_{\mathrm{ext}}\approx\vec0 とみなせるなら、系全体の運動量は近似的に保存する。
4.1証明
運動量と力積の定理より、系全体について
\Delta\vec P=\vec I_{\mathrm{ext}}
である。もし
\vec I_{\mathrm{ext}}=\vec0
なら、
\Delta\vec P=\vec0
である。したがって衝突前と衝突後で全運動量は厳密に等しい。
1 次元の 2 物体では
\boxed{m_1u_1+m_2u_2=m_1v_1+m_2v_2}
である。
衝突時間が短く、外力の力積が
\vec I_{\mathrm{ext}}\approx\vec0
とみなせるなら、
\Delta\vec P\approx\vec0
となる。この場合の運動量保存式は近似式である。
5関係式 2:反発係数と速度の決定
1 次元の 2 物体衝突で、外力の力積が 0 であり、さらに上で定めた向きの約束のもとで反発係数 e が与えられると、衝突後の速度は
v_1=\frac{(m_1-em_2)u_1+(1+e)m_2u_2}{m_1+m_2}
v_2=\frac{(m_2-em_1)u_2+(1+e)m_1u_1}{m_1+m_2}
で与えられる。
5.1証明
運動量保存は
m_1u_1+m_2u_2=m_1v_1+m_2v_2
\tag{1}
である。反発係数の式は
v_2-v_1=e(u_1-u_2)
\tag{2}
である。(2) より
v_2=v_1+e(u_1-u_2)
である。これを (1) に代入すると
m_1u_1+m_2u_2
=
(m_1+m_2)v_1+m_2e(u_1-u_2)
である。したがって
v_1
=
\frac{m_1u_1+m_2u_2-m_2e(u_1-u_2)}{m_1+m_2}
となり、整理して
v_1=\frac{(m_1-em_2)u_1+(1+e)m_2u_2}{m_1+m_2}
を得る。さらに (2) へ戻すと
v_2=\frac{(m_2-em_1)u_2+(1+e)m_1u_1}{m_1+m_2}
を得る。
6整理 3:完全非弾性衝突
完全非弾性衝突では、衝突後の共通速度 v は
\boxed{v=\frac{m_1u_1+m_2u_2}{m_1+m_2}}
である。
6.1証明
完全非弾性衝突では、衝突後に 2 物体が一体となるので v_1=v_2=v である。運動量保存に代入すると
m_1u_1+m_2u_2=(m_1+m_2)v
である。m_1+m_2>0 なので両辺を割り、
v=\frac{m_1u_1+m_2u_2}{m_1+m_2}
を得る。
7単位と条件
運動量保存の各項 mv は
m\ [\mathrm{kg};\ \mathsf{M}]
\times
v\ [\mathrm{m/s};\ \mathsf{LT^{-1}}]
\quad\Rightarrow\quad
mv\ [\mathrm{kg\,m/s};\ \mathsf{MLT^{-1}}]
である。反発係数 e は相対速度の比なので無次元である。
8具体例 1:同質量の弾性衝突
同じ質量 m の 2 物体で、u_1=u,\ u_2=0、e=1 とする。運動量保存は
u=v_1+v_2
であり、反発係数は
v_2-v_1=u
である。二式を解くと
v_1=0,\qquad v_2=u
となる。同質量の弾性衝突では速度が交換される。
9見分け方
- 衝突の瞬間では、まず運動量保存を確認する。
- 完全非弾性なら、衝突後に v_1=v_2 と置く。
- 弾性衝突なら、e=1 または運動エネルギー保存を追加する。
- 非弾性衝突では、運動エネルギーは一般に保存しない。
- 2 次元では、反発係数を接触法線方向だけに使う。
10どこまで成立するか
運動量保存は外力の力積が無視できる範囲で使う。反発係数は材質、形、衝突速度に依存する実験的な量である。
11最終形
\boxed{m_1u_1+m_2u_2=m_1v_1+m_2v_2}
\boxed{v_2-v_1=e(u_1-u_2)}
\boxed{v_{\mathrm{inelastic}}=\frac{m_1u_1+m_2u_2}{m_1+m_2}}
12一言でいうと
衝突では、短時間の内力の細部を追う代わりに、外力の力積が小さいことを根拠に運動量保存を使う。