教科書(物理) 演習問題7:2物体の衝突(考えてみよう)

解法

直感的理解

ボウリングのボール(重い A)がピン(軽い B)に当たると、A は減速するが前進し続けます。逆にピンポン球(軽い A)が壁(重い B)に当たると跳ね返ります。A が静止するのは \(m_1 = e \, m_2\) という特殊な条件のときだけです。

一直線上で速さ \(v_1\) の小球 A(質量 \(m_1\))が静止した小球 B(質量 \(m_2\))に衝突。反発係数 \(e\)(非弾性衝突)。

(1) 衝突後の A の速度:

運動量保存 + 反発係数の連立より:

$$ v_1' = \frac{m_1 - e \, m_2}{m_1 + m_2} v_1 $$

この式には \(e\) が含まれる。\(v_1'\) の符号は分子 \(m_1 - e \, m_2\) で決まる。

(2) P さんの主張の検証:

「衝突後に A が静止する(\(v_1' = 0\))」ためには \(m_1 = e \, m_2\) が必要。

P さんの「\(v_1'\) に \(e\) が含まれるから A が必ず静止するとは限らない」は正しい

(3) Q さんの式の検証:

Q さんの式「\(v_1' = 0\)」を代入すると \(m_1 = e \, m_2\) が条件。\(e = 1\)(弾性衝突)かつ等質量のときのみ A が静止する。一般には静止しない。

数値例:質量 0.50 kg のボールが速さ 20 m/s で飛んできて跳ね返る場合、運動量変化は \(\Delta p = 0.50 \times 20 - 0.50 \times (-20) = 10 + 10 = 20\) kg·m/s。接触時間が 0.010 s なら平均の力は \(F = 20/0.010 = 2000\) N です。

関連する基本公式:

$$ \vec{p} = m\vec{v} $$ $$ \vec{F}\Delta t = m\vec{v}\prime - m\vec{v} $$
答え
(1) \(v_1' = \dfrac{m_1 - e \, m_2}{m_1 + m_2} v_1\)(\(e\) を含み、符号が変わりうる)
(2) P さんの主張は正しい。衝突後に A が静止するのは \(m_1 = em_2\) のときのみ。
補足:A が跳ね返る条件

\(v_1' < 0\)(A が跳ね返る)の条件は \(m_1 < e \, m_2\)。つまり A が十分軽いか、反発係数が十分大きいとき。壁(\(m_2 \to \infty\))に当たれば必ず跳ね返るのはこの条件が常に満たされるため。

Point

衝突後の速度 \(v_1' = \dfrac{m_1 - em_2}{m_1 + m_2}v_1\) は万能公式。分子の符号で A の運動方向が決まる。質量比と反発係数の組み合わせで前進・静止・跳ね返りのすべてが説明できる。