Упругий удар шара о покоящийся: формулы скоростей
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 , который движется со скоростью и налетает на покоящийся шар массой (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:
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:
Здесь и - скорости первого и второго шара сразу после удара (с учётом знака: положительное направление совпадает с направлением ).
Формулы скоростей после удара
Решая систему из двух уравнений выше относительно и , получаем формулы, которые и составляют суть темы:
Заметьте: знак определяется только знаком разности . Если налетающий шар тяжелее покоящегося, он продолжает двигаться вперёд после удара; если легче - отскакивает назад. Скорость же второго шара всегда положительна (при ) - он не может двигаться назад, потому что до удара стоял на месте, а удар может только сообщить ему направленный вперёд импульс.

Частные случаи по соотношению масс
Формулы выше удобно проверять на трёх характерных соотношениях масс - они же самые частые в задачах.
Равные массы, . Подставив это в формулы, получаем и : 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.

Лёгкий шар налетает на тяжёлый, . Дробь стремится к , поэтому - лёгкий шар отскакивает назад почти с той же по модулю скоростью, с какой подлетел, как мяч от стены. Тяжёлый шар при этом получает скорость : он практически не сдвигается.
Тяжёлый шар налетает на лёгкий, . Здесь дробь стремится к , значит - тяжёлый шар почти не замечает столкновения и продолжает двигаться с прежней скоростью. А вот скорость лёгкого шара стремится не к , а к - 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 и обратно в исходные законы сохранения. Импульс до удара - это просто , а после удара - сумма ; эти два числа обязаны совпасть. То же самое с энергией: кинетическая энергия до удара должна равняться сумме энергий после удара . 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 кг движется со скоростью м/с и налетает на покоящийся шар массой кг. Удар упругий, центральный. Найти скорости обоих шаров после удара и проверить закон сохранения энергии.
Подставляем данные в формулы скоростей:
Оба значения положительны, значит после удара оба шара продолжают движение вперёд, при этом второй шар летит быстрее первого. Проверяем импульс: до удара кг·м/с, после удара кг·м/с - совпадает. Проверяем энергию: до удара Дж, после удара Дж - тоже совпадает, значит удар действительно упругий и ответ верный.
Частые ошибки
- Подстановка неверного знака скорости. Если по формуле получилась отрицательная , 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 . В пределе очень тяжёлого налетающего шара лёгкий шар получает не , а - это прямое следствие формулы .
- Путаница между упругим и абсолютно неупругим ударом. В неупругом ударе шары движутся после столкновения с одной общей скоростью и кинетическая энергия не сохраняется; формулы , 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 и 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 (), а покоившийся шар улетит с той же скоростью, с какой к нему подъехал первый (). Это частный случай общих формул при .
Может ли покоящийся шар после удара остаться на месте? Нет, если удар действительно произошёл (): формула даёт ноль только при , то есть при отсутствии налетающего шара. При любой ненулевой массе второй шар получает положительную скорость.
Как найти скорости, если известны обе массы и суммарная энергия, а не ? Сначала находим из энергии до удара: , а дальше подставляем полученное значение в обычные формулы и - порядок действий не меняется.
Коротко
При центральном упругом ударе шара массой , движущегося со скоростью , с покоящимся шаром массой , скорости после удара находятся из формул и . Знак показывает, продолжает ли первый шар двигаться вперёд или отскакивает назад, а 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.
Читайте также

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.

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.

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.

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.

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.

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.