Упругое и неупругое взаимодействия
При взаимодействии тел друг с другом изменяются их энергия и импульс. Это изменение, однако, может происходить по-разному.
Когда речь идет о взаимодействии массивных тел, которые состоят из большого числа частиц, атомов или молекул, имеет смысл наряду с кинетической и потенциальной энергией говорить о внутренней энергии тела. Внутренняя энергия — это энергия всех частиц, составляющих тело, при заданных его температуре и объеме.
В результате взаимодействия тела с другими телами может измениться его температура, а также (необратимым образом) его объем. Ясно, что эти изменения связаны с расходом энергии, т. е. в результате взаимодействия тела с внешними объектами меняется его внутренняя энергия. Такое взаимодействие является неупругим. Оно, очевидно, не сохраняет полной механической энергии тела — суммы кинетической и потенциальной. Напротив, если в результате взаимодействия внутреннее состояние тела не меняется, взаимодействие является упругим. В процессе упругого взаимодействия выполняется закон сохранения механической энергии. Рассмотрим в связи с этими соображениями столкновения двух тел. Столкновение тел заключается в их кратковременном взаимодействии, происходящем при соприкосновении тел. Поскольку вне этого момента времени тела не взаимодействуют, их потенциальная энергия относительно друг друга равна нулю. Взаимодействие при столкновении состоит, таким образом, в передаче от одного тела другому импульса и кинетической энергии. Рассмотрим удар двух шаров, центры которых движутся вдоль одной прямой, т. е. центральный удар. Пусть массы шаров m1 и m2, скорости до удара v1, и v2, после удара u1 и u2. Для определенности возьмем случай движения шаров, изображенный на рис.1.17.
Рисунок 1.17 Центральный удар шаров
Сначала рассмотрим упругий удар шаров. В применении к данной задаче закон сохранения импульса системы шаров имеет вид:
m1v1 + m2v2 =m1u1 + m2u2, (1.5)
т.е. импульс системы до столкновения равен импульсу системы после столкновения.
Закон сохранения энергии дает
. (1.6)
Перенося члены, относящиеся к первому шару влево, а ко второму шару вправо, и разделив одно из полученных уравнений на другое, находим:
, 
.
Решая полученную систему уравнений совместно, получаем:
, (1.7)
. (1.8)
Исследуем полученный результат в частных случаях.
1. Соударение одинаковых шаров. Тогда m1 = m2 и
u1 = v2, u2 = v1. (1.9)
т. е. при упругом центральном ударе двух тел одинаковой массы они просто обмениваются скоростями. Если, в частности, до удара второй шар покоился (v2 = 0), то после удара остановится первый шар (u1 = 0), а второй будет двигаться с той же скоростью и в том же направлении, в котором двигался до удара первый шар (u2 = v1,).
2. Удар шара о массивную стенку. В этом случае m2 >> m1 и приближенно будем иметь:
(1.10)
.
Как видно отсюда, скорость массивного тела после удара меняется незначительно. В результате удара стенке передается значительный импульс, но передача энергии при ударе сравнительно мала:
.
Если стенка была первоначально неподвижна (v2 = 0), то упруго ударившийся о нее шарик малой массы отскочит обратно практически с теми же скоростью (u1 = ‑ v1) и энергией.
При ударе о движущуюся стенку происходит обмен энергией между стенкой и шариком тем больший, чем больше скорость стенки. В зависимости от направления движения стенки (v2 больше или меньше 0) шарик отскакивает от стенки с большими или меньшими, чем до столкновения, кинетической энергией и импульсом.
Рассмотрим теперь абсолютно неупругий удар шаров. При таком ударе энергия налетающего шара полностью расходуется на изменение внутренней энергии другого шара и на сообщение ему некоторой скорости. Закон сохранения механической энергии не выполняется, и для определения скорости после удара достаточно закона сохранения импульса.
m1v1 + m2v2 =(m1 + m2)u1, (1.11)
откуда
. (1.12)
Потеря механической энергии, перешедшей во внутреннюю энергию шаров, равна разности энергий до и после удара:
. (1.13)
Подставляя сюда (1.12), находим
. (1.14)
Если ударяемое тело было первоначально неподвижно (v2 = 0), то
(1.15)
(1.16)
Когда неподвижное тело имеет большую массу (m2 > m1), то почти вся кинетическая энергия переходит при ударе во внутреннюю анергию. Напротив, при m1 >> m2 изменение внутренней энергии мало и большая часть кинетической энергии идет на сообщение движения ударяемому телу.