非弾性衝突とは？弾性衝突との違いも解説

非弾性衝突とは

非弾性衝突は、衝突前後で2つの物体に影響する力学的エネルギーが保存されない衝突のことを指します。物体の変形、熱の発生、内部エネルギーの変化などによりエネルギーを失います。この過程で、物体の運動エネルギーの一部が他の形態のエネルギー、例えば熱エネルギーや内部エネルギーに変換されます。このエネルギー変換は不可逆的で、元の運動エネルギーに戻すことはできません。

物理学において、このタイプの衝突は、エネルギー保存の法則を適用しながらも、完全な運動エネルギーの保存がないケースとして扱われます。非弾性衝突の最も典型的な例は、泥にボールが衝突して停止する場合や、交通事故で車がくっつく場合です。これらの例では、衝突前後でシステムの運動エネルギーが異なり、その差分は他の形態のエネルギーに変換されています。

弾性衝突との違い

弾性衝突と非弾性衝突の主な違いは、衝突後の運動エネルギーの扱いにあります。弾性衝突では、衝突する二つの物体が接触した後も別々に運動を続け、衝突前後でシステム全体の運動エネルギーが保存されます。これは、物体間の相互作用が完全に反発的であり、エネルギーが外部に失われず、また他の形態に変換されない理想的な状態を示します。一方で、非弾性衝突では、衝突によって運動エネルギーの一部が失われ、通常は熱や音など、他の形態のエネルギーに変換されます。これにより、非弾性衝突の後、物体は一緒になるか、少なくとも運動エネルギーの減少を経験します。

非弾性衝突と弾性衝突、それぞれの具体例

非弾性衝突の典型的な例には、自動車の事故が挙げられます。二台の車が衝突し、形状が変形することで運動エネルギーの一部が内部エネルギーに変換され、結果として車はくっついて運動します。弾性衝突の例としては、ビリヤードのボールの衝突があります。ボールが互いに衝突した際、形状の変形はほとんどなく、衝突前後で運動エネルギーと運動量が保存されます。この理想的な状態では、エネルギー損失が発生しないため、ボールは衝突後も独立して運動を続けます。これらの例から、衝突の性質が物体の運動にどのように影響を与えるかがわかります。

反発係数について

反発係数は、弾性衝突と非弾性衝突を区別する上で重要な物理量です。この係数は、衝突する二つの物体の速度の変化の比を表し、衝突前後の相対速度の比として定義されます。数学的には、反発係数eは以下の式で表されます。

ここで、u1​とu2​は衝突前の二物体の速度、v1​とv2​は衝突後の速度を表します。

反発係数の値は0から1の間であり、1に近いほど物体間の衝突は弾性的で、0に近いほど非弾性的です...