教科書(物理) 演習問題6:運動量と力学的エネルギー(弾性衝突の公式)

解法

直感的理解

等質量の2球の衝突では、弾性衝突(\(e=1\))なら速度が完全に入れ替わります。\(e < 1\) では入れ替わりが不完全で、両球の速度が近づきます。\(e=0\) では同じ速度になります(一体化)。

等質量 \(m\) の小球 A(速度 \(v_1\))が静止した小球 B に衝突。反発係数 \(e\)。

Step 1:運動量保存(\(m\) で割る)

$$ v_1 + 0 = v_1' + v_2' \quad \cdots (1) $$

Step 2:反発係数

$$ e = -\frac{v_1' - v_2'}{v_1 - 0} \quad \Rightarrow \quad v_2' - v_1' = e \, v_1 \quad \cdots (2) $$

Step 3:連立

(1) + (2):\(2v_2' = (1 + e)v_1\) → \(v_2' = \dfrac{1+e}{2} v_1\)

(1) - (2):\(2v_1' = (1 - e)v_1\) → \(v_1' = \dfrac{1-e}{2} v_1\)

力学的エネルギーの変化:

$$ \Delta E = \frac{1}{2}m(v_1'^2 + v_2'^2) - \frac{1}{2}mv_1^2 $$

\(e = 1\) のとき \(\Delta E = 0\)(エネルギー保存 = 弾性衝突)。

数値計算の確認:質量 0.50 kg の物体が速度 4.0 m/s で運動するとき、運動量は \(0.50 \times 4.0 = 2.0\) kg·m/s。力 100 N が 0.020 s 間作用すると力積は \(100 \times 0.020 = 2.0\) N·s です。

答え
(1) \(v_A' = \dfrac{1-e}{2} v_1\)、\(v_B' = \dfrac{1+e}{2} v_1\)
(2) \(e = 1\) のとき \(\Delta E = 0\)(力学的エネルギーは保存される)
補足:一般の質量比の場合

質量 \(m_1, m_2\)(B が静止)の一般式:

$$ v_1' = \frac{m_1 - e \, m_2}{m_1 + m_2} v_1, \quad v_2' = \frac{(1+e) m_1}{m_1 + m_2} v_1 $$
Point

等質量の弾性衝突(\(e=1\))では速度が完全に入れ替わる(\(v_1' = 0, v_2' = v_1\))。これはニュートンのゆりかごで見られる現象そのもの。