EssayAI
Блог
Блог
Естественные науки

Упругий удар шара о покоящийся: формулы скоростей

11 июня 2026Время чтения: 8 минут
#упругий удар#закон сохранения импульса#закон сохранения энергии#столкновение шаров#скорость после удара

Упругий удар движущегося шара с покоящимся - одна из самых частых задач механики: один шар налетает на другой, стоящий на месте, и нужно найти скорости обоих после столкновения. В отличие от неупругого удара, где шары слипаются и часть энергии теряется, при упругом ударе кинетическая энергия системы сохраняется полностью, и это вместе с законом сохранения импульса даёт ровно два уравнения на две неизвестные скорости. Ниже - полный вывод формул, разбор частных случаев по соотношению масс и калькулятор, который сразу считает скорости, энергию и импульс для любых введённых чисел.

Что сохраняется при упругом ударе

Рассмотрим шар массой m1m_1, который движется со скоростью v0v_0 и налетает на покоящийся шар массой m2m_2 (его начальная скорость равна нулю). Удар считаем центральным (лобовым) - оба шара до и после столкновения движутся вдоль одной прямой, без вращения и без бокового смещения.

Закон сохранения импульса для замкнутой системы даёт первое уравнение:

m1v0=m1v1+m2v2.m_1 v_0 = m_1 v_1 + m_2 v_2.

Второе уравнение - определяющее свойство именно упругого удара: кинетическая энергия системы после столкновения равна кинетической энергии до него, ничего не уходит на деформацию, нагрев или звук:

12m1v02=12m1v12+12m2v22.\frac{1}{2} m_1 v_0^2 = \frac{1}{2} m_1 v_1^2 + \frac{1}{2} m_2 v_2^2.

Здесь v1v_1 и v2v_2 - скорости первого и второго шара сразу после удара (с учётом знака: положительное направление совпадает с направлением v0v_0).

Формулы скоростей после удара

Соотношение масс m2/m1 растёт слева направо: пока m1 больше m2, оба шара после удара движутся вперёд; когда m2 превышает m1, первый шар отскакивает назад - это видно по знаку его скорости v1

Решая систему из двух уравнений выше относительно v1v_1 и v2v_2, получаем формулы, которые и составляют суть темы:

v1=m1m2m1+m2v0,v2=2m1m1+m2v0.v_1 = \frac{m_1 - m_2}{m_1 + m_2}\, v_0, \qquad v_2 = \frac{2 m_1}{m_1 + m_2}\, v_0.

Заметьте: знак v1v_1 определяется только знаком разности m1m2m_1 - m_2. Если налетающий шар тяжелее покоящегося, он продолжает двигаться вперёд после удара; если легче - отскакивает назад. Скорость же второго шара v2v_2 всегда положительна (при v0>0v_0 > 0) - он не может двигаться назад, потому что до удара стоял на месте, а удар может только сообщить ему направленный вперёд импульс.

Векторы скорости шара 1 и шара 2 до и после упругого удара: длина стрелки после удара показывает, что v2 всегда длиннее v1
Векторы скорости шара 1 и шара 2 до и после упругого удара: длина стрелки после удара показывает, что v2 всегда длиннее v1

Частные случаи по соотношению масс

Формулы выше удобно проверять на трёх характерных соотношениях масс - они же самые частые в задачах.

Равные массы, m1=m2m_1 = m_2. Подставив это в формулы, получаем v1=0v_1 = 0 и v2=v0v_2 = v_0: налетающий шар полностью останавливается, а покоившийся шар улетает ровно с той скоростью, с которой к нему подъехал первый. Это классическая иллюстрация упругого удара - энергия и импульс полностью «передаются» второму шару.

Особый случай равных масс: шар 1 останавливается на месте удара, шар 2 улетает со скоростью, равной начальной скорости шара 1
Особый случай равных масс: шар 1 останавливается на месте удара, шар 2 улетает со скоростью, равной начальной скорости шара 1

Лёгкий шар налетает на тяжёлый, m1m2m_1 \ll m_2. Дробь m1m2m1+m2\frac{m_1 - m_2}{m_1 + m_2} стремится к 1-1, поэтому v1v0v_1 \to -v_0 - лёгкий шар отскакивает назад почти с той же по модулю скоростью, с какой подлетел, как мяч от стены. Тяжёлый шар при этом получает скорость v20v_2 \to 0: он практически не сдвигается.

Тяжёлый шар налетает на лёгкий, m1m2m_1 \gg m_2. Здесь дробь стремится к +1+1, значит v1v0v_1 \to v_0 - тяжёлый шар почти не замечает столкновения и продолжает двигаться с прежней скоростью. А вот скорость лёгкого шара стремится не к v0v_0, а к 2v02 v_0 - это частая ошибка в задачах: кажется, что лёгкий шар просто «подхватывает» скорость тяжёлого, но на самом деле в пределе он улетает вдвое быстрее.

Отдельно стоит нецентральный (нелобовой) удар двух шаров одинаковой массы: если траектории не совпадают, после столкновения шары расходятся под прямым углом друг к другу - это прямое следствие того же сохранения импульса и энергии, но с учётом двух измерений. В этой статье и калькуляторе ниже разбирается именно центральный удар вдоль одной прямой.

Проверка через законы сохранения

Любой результат по формулам $v_1$ и $v_2$ стоит проверять обратной подстановкой в законы сохранения - это быстрее, чем искать ошибку в самом выводе.

Удобный способ проверить себя в задаче - подставить найденные v1v_1 и v2v_2 обратно в исходные законы сохранения. Импульс до удара - это просто p0=m1v0p_0 = m_1 v_0, а после удара - сумма p1+p2=m1v1+m2v2p_1 + p_2 = m_1 v_1 + m_2 v_2; эти два числа обязаны совпасть. То же самое с энергией: кинетическая энергия до удара E0=12m1v02E_0 = \frac{1}{2} m_1 v_0^2 должна равняться сумме энергий после удара E1+E2=12m1v12+12m2v22E_1 + E_2 = \frac{1}{2} m_1 v_1^2 + \frac{1}{2} m_2 v_2^2. Если хотя бы одна из двух проверок не сходится - где-то ошибка в подстановке чисел или в знаке скорости.

Пример решения типовой задачи

Шар массой m1=2m_1 = 2 кг движется со скоростью v0=6v_0 = 6 м/с и налетает на покоящийся шар массой m2=1m_2 = 1 кг. Удар упругий, центральный. Найти скорости обоих шаров после удара и проверить закон сохранения энергии.

Подставляем данные в формулы скоростей:

v1=212+16=136=2 м/с,v2=222+16=436=8 м/с.v_1 = \frac{2 - 1}{2 + 1} \cdot 6 = \frac{1}{3} \cdot 6 = 2\ \text{м/с}, \qquad v_2 = \frac{2 \cdot 2}{2 + 1} \cdot 6 = \frac{4}{3} \cdot 6 = 8\ \text{м/с}.

Оба значения положительны, значит после удара оба шара продолжают движение вперёд, при этом второй шар летит быстрее первого. Проверяем импульс: до удара p0=26=12p_0 = 2 \cdot 6 = 12 кг·м/с, после удара p1+p2=22+18=4+8=12p_1 + p_2 = 2 \cdot 2 + 1 \cdot 8 = 4 + 8 = 12 кг·м/с - совпадает. Проверяем энергию: до удара E0=12262=36E_0 = \frac{1}{2} \cdot 2 \cdot 6^2 = 36 Дж, после удара E1+E2=12222+12182=4+32=36E_1 + E_2 = \frac{1}{2} \cdot 2 \cdot 2^2 + \frac{1}{2} \cdot 1 \cdot 8^2 = 4 + 32 = 36 Дж - тоже совпадает, значит удар действительно упругий и ответ верный.

Частые ошибки

  • Подстановка неверного знака скорости. Если по формуле получилась отрицательная v1v_1, это не ошибка вычисления, а значит шар действительно отскочил назад - знак нужно сохранять в дальнейших расчётах, а не отбрасывать как «лишний минус».
  • Уверенность, что лёгкий шар получает скорость v0v_0. В пределе очень тяжёлого налетающего шара лёгкий шар получает не v0v_0, а 2v02 v_0 - это прямое следствие формулы v2=2m1m1+m2v0v_2 = \dfrac{2 m_1}{m_1 + m_2} v_0.
  • Путаница между упругим и абсолютно неупругим ударом. В неупругом ударе шары движутся после столкновения с одной общей скоростью и кинетическая энергия не сохраняется; формулы v1v_1, v2v_2 из этой статьи относятся только к упругому случаю.
  • Забытая проверка сохранения энергии. Если после подстановки чисел энергия до и после не совпадает, значит где-то арифметическая ошибка - эту проверку стоит делать всегда, она занимает меньше минуты.
  • Применение формул к нецентральному удару. Формулы v1v_1 и v2v_2 выведены для лобового столкновения вдоль одной прямой; если шары расходятся под углом, нужна уже двумерная система уравнений импульса.

FAQ

Что произойдёт, если массы шаров равны? Налетающий шар полностью остановится (v1=0v_1 = 0), а покоившийся шар улетит с той же скоростью, с какой к нему подъехал первый (v2=v0v_2 = v_0). Это частный случай общих формул при m1=m2m_1 = m_2.

Может ли покоящийся шар после удара остаться на месте? Нет, если удар действительно произошёл (v00v_0 \ne 0): формула v2=2m1m1+m2v0v_2 = \dfrac{2 m_1}{m_1 + m_2} v_0 даёт ноль только при m1=0m_1 = 0, то есть при отсутствии налетающего шара. При любой ненулевой массе m1m_1 второй шар получает положительную скорость.

Как найти скорости, если известны обе массы и суммарная энергия, а не v0v_0? Сначала находим v0v_0 из энергии до удара: v0=2E0/m1v_0 = \sqrt{2 E_0 / m_1}, а дальше подставляем полученное значение в обычные формулы v1v_1 и v2v_2 - порядок действий не меняется.

Коротко

При центральном упругом ударе шара массой m1m_1, движущегося со скоростью v0v_0, с покоящимся шаром массой m2m_2, скорости после удара находятся из формул v1=m1m2m1+m2v0v_1 = \dfrac{m_1 - m_2}{m_1 + m_2} v_0 и v2=2m1m1+m2v0v_2 = \dfrac{2 m_1}{m_1 + m_2} v_0. Знак v1v_1 показывает, продолжает ли первый шар двигаться вперёд или отскакивает назад, а v2v_2 всегда положительна. Три характерных случая - равные массы (первый шар останавливается), лёгкий шар на тяжёлом (отскок почти с исходной скоростью) и тяжёлый шар на лёгком (второй шар улетает почти вдвое быстрее первого) - стоит держать в голове как ориентиры при проверке любого численного ответа.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Энергия при движении по наклонной с трением

Энергия при движении по наклонной с трением

Как считать энергию при движении по наклонной с трением: куда уходит потенциальная энергия, сколько съедает трение, как найти скорость у основания и где студенты чаще всего ошибаются.

11 июня 20267 минут
Алкилирование бензола по Фриделю-Крафтсу: механизм

Алкилирование бензола по Фриделю-Крафтсу: механизм

Алкилирование бензола по Фриделю-Крафтсу: как хлорид алюминия активирует галогенид, почему возникает устойчивый арениевый ион и как оценить барьер реакции и риск переалкилирования.

7 июля 20268 минут
Допуск замыкающего звена размерной цепи: как считать

Допуск замыкающего звена размерной цепи: как считать

Как найти допуск замыкающего звена размерной цепи методом максимума-минимума и вероятностным методом, что такое увеличивающие и уменьшающие звенья и где ошибаются студенты.

7 июля 20269 минут
Двухфотонное поглощение: формула коэффициента β

Двухфотонное поглощение: формула коэффициента β

Как выводится уравнение двухфотонного поглощения, что означает коэффициент β в см/ГВт и почему пропускание среды падает нелинейно с ростом интенсивности лазерного пучка.

7 июля 20268 минут
Энтальпия сгорания: прямая и обратная задача расчёта

Энтальпия сгорания: прямая и обратная задача расчёта

Алгоритм расчёта энтальпии сгорания через энтальпии образования, перевод её в теплоту для массы образца и обратная задача - как найти энтальпию образования по измеренной теплоте сгорания.

7 июля 20268 минут
Кинетическая энергия тела при вращении: формула и расчёт

Кинетическая энергия тела при вращении: формула и расчёт

Кинетическая энергия тела при вращении: формула через момент инерции и угловую скорость, как момент инерции зависит от формы тела и как энергия распределяется между вращением и движением при качении.

7 июля 20267 минут