牛顿摆是一个1960年代发明的桌面演示装置,五个质量相同的球体由吊绳固定,彼此紧密排列。又叫:牛顿摆球、动量守恒摆球、永动球、物理撞球、碰碰球等。
当然此过程也是可逆的,当摆动最左侧的球撞击其它球时,最右侧的球会被弹出。
当最右侧的两个球同时摆动并撞击其他球时,最左侧的两个球会被弹出。
同理相反方向同样可行,并适用于更多的球,三个,四个,五个……。
五个球的变化旁边的图示中最左边的球得到动量并通过碰撞传递到右侧并排悬挂的球上,动量在四个球中向右传递。
当最右面的球无法将动量继续传递的时候,被弹出。
这是一系列弹性碰撞,其中并包含非弹性碰撞和动量。
由于在碰撞中不存在其它力的影响,左侧质量m速度vl的l球动量必须传递给右侧静止的球。
右侧质量m具有的r球被碰撞后具有相同的动量。
被碰撞的球都具有向右的速度vr并有向右移动的趋势,称作动量守恒。
碰撞前后的能量必须一致,此处忽略球的振动运动,写作对于第一个公式,由于不等于零,所以速度为。
第一个公式l=r:说明碰撞时有数个球被碰撞后弹出。
在这里,被碰撞的球以同样的速度移动,而剩余的球不动。
当多于两个球时,则不能按照能量守恒和动量守恒考虑。
在重力系统中,左侧的l球以速度vl碰撞右侧速度为vr的r球,遵守能量守恒和动量守恒,碰撞后l球以速度vl向右,r球以速度vr相左继续运动。
相反的,l球可以以相反的速度−vl,r球有相反的速度−vr。
要解释球串的表现,必须更进一步思考,撞击波是如何在球串中传递的。
牛顿摆球使用说明
理论上说,应该是永远不停。但实际上最终会停下来,主要是因为空气阻力和地球转动的影响。
什么时候停下来这与摆球的材质、摆角大小等有关。
延长牛顿摆球的时间:尽量用细绳。
当摆动最左侧的球撞击其它球时,最右侧的球会被弹出。当最右侧的两个球同时摆动并撞击其他球时,最左侧的两个球会被弹出。同理相反方向同样可行,并适用于更多的球。
假定各金属球是具有相同质量的质点。
当一个质点撞击第二个质点,第一个质点的动量与能量立即转移到第二个上,如此进行下去,直到最后一个质点获得了动量与能量后弹出。
即使两个或更多质点撞击球组,情况依然相同。
但是,瞬间运动则需要无穷大的加速度并且质点质量为零。
任何小球运动方向上的改变将导致动量的改变,这只有在受到外力作用的情况下才能实现。那就是为什么小球甲不是简单地被小球乙弹开——它的动量将能量以从东向西的方向传递过所有的球。
实际上,牛顿摆并不是一个封闭系统,金属球仍然受到重力的作用,会使小球弹开的速度减缓,直至停止(此时动量不守恒)。
当最后一个球无法继续传递动量与能量,它就被弹开。当它运动到最高点时,它只蕴含势能,而动能减少到零,重力使它向下运动,循环再次开始。
还没有评论,来说两句吧...