From Stick to Bounce — the Coefficient of Restitution

الميكانيكا متوسط مجاني VR · AR
From Stick to Bounce — the Coefficient of Restitution – الميكانيكا
From Stick to Bounce — the Coefficient of Restitution – الميكانيكا

كرتان متساويتان في الحجم في مجرى مستقيم على منضدة مختبر. تنزلق الكرة ‎A‎ من اليسار دون أن تدور نحو الكرة ‎B‎، التي قد تكون ساكنة أو منزلقة نحو ‎A‎ أو سابقة لها. تضبط خمسة مزالق الكتلتين والسرعتين ومعامل الارتداد ‎e‎ — ومعه مادة الكرتين: معجون باهت عند ‎e = 0‎، ومطاط في الوسط، وفولاذ مصقول عند ‎e = 1‎. تبيّن الأسهم سرعة كل كرة، ويبيّن قوس أمام المجرى سرعة انغلاق الفجوة بينهما ثم انفتاحها، ويتتبع رسم بياني مقدار الطاقة الحركية المفقودة عند كل قيمة لـ‎e‎. اضغط زر التشغيل فيُعرض التصادم مرة واحدة، أبطأ من الواقع ثماني مرات وأبطأ من ذلك بأزرار سرعة التشغيل، ويعيدك الشريط الزمني إلى أي لحظة.

كيف تستخدم هذه المحاكاة

ما الذي تلاحظه

الفيزياء وراءها

خذ اتجاه اليمين موجبًا. لا يكفي حفظ كمية الحركة وحده لإيجاد سرعتين مجهولتين، فتُضاف معادلة ثانية هي معادلة الارتداد ‎v′A − v′B = −e(vA − vB)‎: تقترب الكرتان بسرعة ‎vA − vB‎ وتفترقان بسرعة تساوي ‎e‎ مضروبًا فيها. وعند القيم الابتدائية (‎1.0 كجم‎ بسرعة ‎+4.0 م/ث‎ نحو ‎1.5 كجم‎ ساكنة، و‎e = 0.25‎) يعطي حلّها مع ‎1.0 × 4.0 = 1.0 v′A + 1.5 v′B‎ أن ‎v′A = +1.0 م/ث‎ و‎v′B = +2.0 م/ث‎. تهبط الطاقة الحركية من ‎8.0 جول‎ إلى ‎0.5 + 3.0 = 3.5 جول‎، فيُفقد ‎4.5 جول‎. وفي النموذج تختزن الكرتان المنضغطتان الطاقة الحركية النسبية كلها، ‎½μ(vA − vB)²‎ حيث ‎μ = mA mB/(mA + mB)‎، ولا تعيدان منها إلا الجزء ‎e²‎، فيكون الفقد ‎½μ(vA − vB)²(1 − e²)‎: ‎4.8 جول‎ عند ‎e = 0‎ حين تلتصق كرتا المعجون وتمضيان بسرعة ‎1.6 م/ث‎، ولا شيء عند ‎e = 1‎ حين ترتد ‎A‎ بسرعة ‎0.80 م/ث‎ وتنطلق ‎B‎ بسرعة ‎3.2 م/ث‎. فالكتلتان والسرعتان تحدد مقدار الطاقة القابلة للفقد، أما ‎e‎ وحده فيحدد النسبة التي تُفقد منها. وتبقى كمية الحركة قبل التصادم وبعده متساوية عند كل ضبط، وإذا لم تكن ‎A‎ أسرع من ‎B‎ لا تنغلق الفجوة أبدًا ولا يقع تصادم.

coefficient of restitutionelastic collisioninelastic collisionmomentumkinetic energyv′A − v′B = −e(vA − vB)3D