小球と木片の無限回衝突(e<1,停止なし)
先の小球と木片の無限回衝突(e<1)では,木片が衝突の間に一旦停止する場合について考察した。最後に残った一旦停止なしの場合について,だいぶ難儀したが解けたように思う。
※相対速度0になって以降の運動を見逃していたので追加。その後計算違いをみつけてまたまた修正。ようやく『Phun』によるシミュレーションと整合する結果を得た。(2009.03.21)

最初の衝突直後の小球と木片の速さをとし,両者の質量比をとおくと,運動量保存およびはねかえり定数から次の2式が成り立つ。


辺々引いて,

を得る。
初めの衝突から再衝突までの時間および移動距離をとすると,


となる。

さて,回目の衝突直後の小球と木片の速さを回目の衝突直前の木片の速さをとおく。木片は動摩擦力によって等加速度運動をするから,は,の平均となり,したがって回目衝突直後の相対速さと回目衝突直前の相対速さは等しくなる。
1回目衝突直後の相対速さはであり,1回衝突ごとに相対速さはの比で減ずるから,回目衝突直後および回目衝突直前の相対速さはとなる。
以上を整理すると,回目衝突直後の小球の速さに対して,

の関係が成立する。

さて,回目の衝突前後の運動量保存により

これに対して上の関係を考慮して整理すると,

を得る。したがって,

となる。

一方,回目衝突と回目衝突の間の時間を,移動距離をとすれば,まず

だから,

さらに上の結果を用いて,

を得る。

結局,小球と木片の両者が最初の衝突をしてから,相対速度が0になるまでの時間と移動距離は,次のようになる。


時間後の両者の速さは,

となり,静止するまでの時間および移動距離を計算すると,

を得る。

たとえば,のとき,


となる。

『Phun』によるシミュレーション
の場合で,衝突間の時間がの比で減少することや,に近く(ぐらい?)なることが確認できる。斜面と水平面の接続がなめらかでないから,ここでのエネルギー散逸も無視できないようだ。距離も時間もやや短めになるのはそのせいらしい。ちなみに,衝突後すべり距離をとしてエネルギー散逸を割り引いた初期高さを逆算すると,そので計算した時間は実測とほぼ一致した。


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