題:
為什麼台球撞到另一個台球時會停下來?
joshuaronis
2018-09-20 22:08:55 UTC
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我在這裡重複很多次,但這是因為我想弄清楚我的困惑。

如果兩個台球的精確質量相同,並且一個人撞到另一個靜止的頭,我聽說擊球通常會完全停止,而被擊中的球會以第一個的原始速度彈開(忽略摩擦和熱量以及其他潛在的能量損失)。

我知道這與保持動量一致。但是,現在我正在考慮它,因此我對如何實現它有些困惑。

考慮:

假設我們有兩個球,第1球和第2球。這些球的質量相等。 $$ M_ {1} = M_2 $$ span>

1號球是擊球,原始速度為 $ V_1 $ span>,而2號球正在擊中,本來是靜止​​的。

一旦第1球擊中第2球,它立即以與減速相同的速度開始加速。換句話說,第1球在第2球上施加的力與第2球在第1球上施加的力相同。這樣,動量得以保持,因此,第2球獲得的任何動量都會使第1球失去。

$$ F_ {1 \ to 2} = F_ {2 \ to 1} $$ span>

那隻是牛頓的第三定律。

由於它們具有相同的質量,因此第1球將以第2球加速的相同速度減速。

但是,經過一定時間後,兩個球在相同方向上將具有相同的動量。也就是說,第1球將被減速到 $ {V_ {i} / 2} $ span>,而第2球將被加速到 $ {V_ {i} / 2} $ span>。

在相同動量的這一點上,球1和球2必須具有相同的速度,因為它們具有相同的質量。

現在,球1向球2施加力的唯一方法是使它們接觸。但是,在它們獲得相同速度後的瞬間,這兩個球不再接觸,因為現在第2球將離開第1球,或者至少以與第1球相同的速率移動。

話雖這麼說,第2球似乎不可能比第1球更快,因為第2球只能加速到與第1球相同的速度。

似乎第1球完全停止並且第2球以第1球的原始速度起飛的可能性更大。

我想念什麼?


編輯:

在閱讀了一些謹慎的評論後,(雖然效果不錯,但我喜歡它,因為它引入了新的變量並指出了事情,所有“如果”問題都引起了很棒的討論,謝謝我已經意識到,將台球想像成是在太空中漂浮而不是在台球桌上漂浮,以消除旋轉會影響碰撞的可能性,這是更好的選擇。

或者我們可以想像無摩擦的台球桌。

但是最好想像它們在太空中漂浮,因為每個人都喜歡太空

我認為原始的OP聲明需要一些限定條件。對於母球撞擊目標球的情況,母球擊中目標球時不得旋轉,以阻止“死角”。如果母球在上面旋轉,它會在接觸後繼續向前移動,儘管速度較慢;如果母球在上面旋轉,它會在碰撞後“退回”。
這是因為這是完全彈性的碰撞。因此在所有碰撞中都保持了動量但在完全彈性的碰撞中,動能也得以守恆。@FrodCube的答案闡明了解決方案。
我們還能注意到“撞球”在這裡誤導嗎?在現實世界中,它們具有角動量。此方案更好地適用於非旋轉塊碰撞。
它不會停止前進,會滾動一點。為了獲得硬停止的效果,玩家必須對母球進行旋轉。
-1
它仍然會這樣做。現實與理論之間存在差異,因為現實忽略了理想的假設,而理論常常依賴於理想...
@DavidRicherby:不,這不是正確的原因。即使母球滾動而不會打滑,只要沒有動量或能量的損失,如果直接擊中另一個相同的球,母球實際上也會完全停止。看到[我的評論在這裡](https://physics.stackexchange.com/questions/429874/why-does-a-billiards-ball-stop-when-it-hits-another-billiards-ball-head-on#comment965211_429876)。實際中不能完全停止的原因是動量損失可以忽略不計,但是能量損失卻很大,因此唯一的解決方案是母球不斷滾動。
@StianYttervik: [繼續]如果使用相同的硬橡膠球以最大程度地減少能量損失,則第一個滾入第二個滾珠的滾珠將更完全停止轉動。請注意,在每個點上,摩擦都會使球的速度變慢,但在碰撞點,與工作台的摩擦作用可忽略不計。
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@StianYttervik:我知道這不是一個完美的瞬時碰撞,但是我仍然認為非瞬時性的影響要比能量損失的影響小得多。在這一點上,我們需要進行仔細的實驗,以查看其假設更有可能是正確的。=)
如果您想看看現實世界中的母球會發生什麼-觀看羅尼·奧沙利文(Ronnie O'Sullivan)-YouTube上有很多視頻都要求改變自然角度...
這不是牛頓的搖籃嗎?參見https://en.wikipedia.org/wiki/Newton's_cradle
這有點題外話(所以向我射擊),但是我注意到,當撞球從墊子上彈起時,它彈起的角度與靠墊直角更接近比當它接近時。換句話說,**入射角不等於反射角**。(這顯然是由於諸如摩擦等現實世界的影響。)一旦發現這一點,我的撞球遊戲便有了顯著改善。
七 答案:
nasu
2018-09-20 22:25:29 UTC
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直到兩個速度相等時,您的分析才是正確的。這也是相對速度為零時的一點。 但是這時兩個球變形了(彈性地)。接近過程中作用在兩個球上的力是彈力。無論變形有多小,它都在那裡。因此,現在發生的事情是,實際上兩個物體開始散開(它們之間的距離增加了),並且開始膨脹回原始形狀。相互作用力開始減小(不會立即下降到零)。在該過程的第二部分中完成的功與在第一部分中所做的功相同,因此動能和速度會發生一半的變化。 這就是完美的彈性和非彈性碰撞之間的區別。 在後一種情況下,兩個物體不會膨脹回相同的形狀(或根本不會膨脹),因此速度的交換不完全。

如果想像兩個物體之間有彈簧,可能會有所幫助。當速度相等時,彈簧仍被壓縮。實際上,它具有最大的壓縮率。因此很明顯,彈簧開始膨脹時所施加的力不為零。

Note:一個很好的例子是考慮一個橡膠球從地面彈跳(假設完全彈性),在這種情況下,還有一個點,其與地面的相對速度為零(當球暫時停在地面上時)地面),但由於彈性力使球上升,因為它通過最初承受的變形所存儲的能量獲得動能,從而獲得了動能。

輝煌的答案,你擊敗了我。一個很好的例子是橡膠球從地面彈起(假設是完全彈性的),在這種情況下,還有一點,與地面的相對速度為零,但由於通過球體存儲的能量,球仍然上升。最初承受的變形。
這就是為什麼汽車沒有彈性的原因。否則,墜毀會導致力量更大。
@rexkogitans就是為什麼壓扁區域可以提高碰撞安全性?
@stannius,我認為,碰撞區更多的是將碰撞散佈在更長的時間範圍內,從而降低了減速速度。
+1如果將它與碰撞中“剛性”身體變形的高速攝像機視頻鏈接在一起,那麼這個好答案將是巨大的。有誰知道一個好人嗎?
[這裡是一個高爾夫球](https://youtu.be/00I2uXDxbaE),但是高爾夫球比台球感覺柔軟一些,因此可能有更好的例子。
我認為需要提及https://en.wikipedia.org/wiki/Newton%27s_cradle
相關:https://physics.stackexchange.com/a/228436/19979
@JiK所說的。這個答案需要一個嵌入的高速視頻,準確地描述“此時兩個球變形(彈性)”。與台球。
直接觀察變形的問題不僅僅是速度。大小變化可能太小,即使放慢了速度,也很難在視頻中看到。這裡是一些計算和視頻。http://dbkcues.ru/articles-2/collision-of-billiard-balls/?lang=zh-CN變形僅是毫米的幾分之一,不到球直徑的1%。在視頻中很難看到這一點。您必須檢查單個框架並仔細測量。
FrodCube
2018-09-20 22:18:36 UTC
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您忘記了能量守恆。您需要強加

$$ mv = mv_1 + mv_2 $$ 和 $$ \ frac {1} {2} mv ^ 2 = \ frac {1} {2} mv_1 ^ 2 + \ frac {1} {2} mv_2 ^ 2 $$

這只能通過$ v_1 = 0 $和$ v_2 = v $解決。

從數學上講,這當然是正確的,但是,即使物體之間似乎沒有相對速度,也無法回答OP關於如何保持碰撞的問題。
我認為這是最好的答案。
請注意,能量和動量守恆不足以解決某些三體碰撞,因此必須檢查確切的運動學細節(根據nasu的回答)。例如,具有3個球的牛頓搖籃在大多數情況下已經具有不止一種動量和能量節省的解決方案,例如2個球接觸並一起以單位速度向右移動以擊中1個以單位速度向球移動的解決方案。左,其中實際的實際速度為$(-1,1,1)$,但是還有另一個解決方案$(1-c,0,c)$,其中$ c =(1+ \ sqrt {5})/ 2既節省能量又節省動力的$。
非常感謝您的回答,能量方程式的問題在於,儘管它們是正確的,但在我看來,它們始終源自直觀的分析,但本身並不是直觀的(如果有任何意義)。但是,可能就是我。欣賞能量答案,無論如何!謝謝!
@user21820對。也許更相關的是,所有台球遊戲都至關重要地依賴於這樣的事實,即碰撞的產生可能不同於“母球停下來,將所有能量和動能傳遞給目標低音”。這種直射是一種非常不尋常的情況,通常您會想以一定角度擊打目標球,然後僅傳遞一部分能量,並且動量會在兩個分散的方向上分開。微調這種動量和方向分裂是台球運動員技能的很大一部分。
@leftaroundabout:哈哈..我不認為提問者正在考慮打台球。在此問題上,有趣的是,在理想的碰撞中,球滾動而不會打滑,而碰撞而沒有摩擦,如果一個球滾動並擊中另一個直線,則它確實會停止滾動,將所有的能量和動量傳遞給另一個球包括旋轉動能和角動量。儘管看起來很奇怪,但實際上與實際發生的情況相當不錯。
實際上,@user21820根本不應該傳遞旋轉能量(如果發生這種情況,則稱為_kick_)。直線動量和動能在一次直射中完全轉移,但是角動量保留在母球中,可以用來將其引導到方便進行下一擊的位置。斯諾克台球運動員驚人地擅長將母球準確地放到他們想要的位置,有時通過將大量的後旋球插入球中,然後將其回滾到包膠區域。
@leftaroundabout:號;這就是為什麼我說這很有趣,因為它在我規定的條件下(包括“不滑不溜”)被“轉移”了。具體來說,當第一個滾珠滾入第二個滾珠時,由於與工作台表面的摩擦力在其上施加扭矩而完全抵消了其角動量,因此它停止了滾動,並且在數學上我們知道它必須這樣做是因為第二個滾珠(在任何給定速度下也必須具有一定的能量和動量,唯一的解決方案就是我所聲稱的。
@user21820好的,我知道了,但是我們仍然離台球很遠,因為在酚鹽上加入苯酚,滑倒是非常不可忽視的(而且正如我所說,這是球員們積極利用的)。
@leftaroundabout:權利;即使我們沒有利用賦予母球旋轉的能力,也必須非常小心地擊打母球以使其滾動而不打滑,而且必須直擊母球,否則兩者都會旋轉一點。=)
+1但請注意,只有在我們假設所有能量都保持動能的情況下才是正確的(滾珠不會變形,不發熱,不摩擦e.t.c)。我知道這似乎很明顯,但要使答案全面,應說明這些假設。
physicsguy19
2018-09-20 22:32:02 UTC
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我認為當您可視化撞擊時,將球視為完全剛性的物體是個壞主意。我們可以認為它們之間產生了無質量的彈簧。即使當它們達到相同的速度時,彈簧也會繼續推動球,直到傳入的球失去所有速度,另一個球的速度達到最大。那是他們失去聯繫的那一刻。

Paul Draper
2018-09-22 05:02:00 UTC
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Short答案:在碰撞過程中,第一個球的運動速度快於第二個球的運動,球正在壓縮。一旦第二個球開始像第一個​​球一樣快地運動,這些球便開始解壓縮,將球推開。它們完全分開後,它們將以不同的速度移動。


Medium答案:

碰撞的前半部分將台球推到一起並使它們變形,而在碰撞的後半部分,變形中存儲的能量被釋放回機械能,並且台球不變形並推開,從而導致速度。台球是“彈性的”,或像彈簧一樣:變形時,幾乎所有能量都被存儲併機械釋放。

這種彈性變形與將桌球扔在牆上時的原因相同,因為它不會粘在牆上。它會彈回。諸如Play-Doh球之類的非彈性材料會粘在牆上。 (或Play-Doh的其他球)。


Long答案:此外,您可以通過物理定律和一個假設在數學上得出較早的答案。

牛頓定律的結果是動量守恆

$$ m_a \ mathbf {v_ {a1}} + m_b \ mathbf {v_ {b1}} = m_a \ mathbf {v_ {a2}} + m_b \ mathbf {v_ {b2}} $$ span>

在這種情況下, $ \ mathbf {v_ {b1}} = \ mathbf {0} $ span>和 $ m_a = m_b $ span>,所以

$$ \ mathbf {v_ {a1}} = \ mathbf {v_ {a2}} + \ mathbf {v_ {b2}} $$ span>

很顯然,有很多滿足這個方程式的值。因此,我們需要添加另一個物理定律:能量守恆定律。 (假設:球的旋轉可以忽略不計。)

$$ \ frac {m_a \ mathbf {v_ {a1}} ^ 2} {2} + \ frac {m_b \ mathbf {v_ {a1}} ^ 2} { 2} = \ frac {m_a \ mathbf {v_ {a2}} ^ 2} {2} + \ frac {m_b \ mathbf {v_ {b2}} ^ 2} {2} + \ Delta H $$ span> $$ \ mathbf {v_ {a1}} ^ 2 = \ mathbf {v_ {a2}} ^ 2+ \ mathbf {v_ {b2}} ^ 2 + \ frac {2 \ Delta H} m $$ span>

因為台球是彈性的,所以沒有任何能量被轉換成熱量(實際上,這就是彈性的含義...您可以進一步深入材料科學並確切地了解什麼台球的化學性質會導致這種性質,但最終,台球是有彈性的,例如彈力球或彈簧),並且

“> $$ \ mathbf {v_ {a1}} ^ 2 = \ mathbf {v_ {a2}} ^ 2+ \ mathbf {v_ {b2}} ^ 2 $$ $$ \ mathbf {v_ {a1}} ^ 2 =(\ mathbf {v_ {a1}}-\ mathbf {v_ {b2}})^ 2+ \ mathbf {v_ { b2}} ^ 2 $$ span> $$ \ mathbf {v_ {a1}} ^ 2 = \ mathbf {v_ {a1}} ^ 2-2 \ mathbf {v_ {a1}} \ mathbf {v_ {b2} } + \ mathbf {v_ {b2}} ^ 2 + \ mathbf {v_ {b2}} ^ 2 $$ span> $$ \ mathbf {v_ {a1}} \ mathbf {v_ {b2}} = \ mathbf {v_ {b2}} ^ 2 $$ span>

對於直接碰撞,請 $ \ mathbf {v_ {a1}} $ span>和 $ \ mathbf {v_ {b2}} $ span>是平行的,所以

$$ | \ mathbf {v_ {a1}} ||| \ mathbf {v_ {b2}} || = | \ mathbf {v_ {b2}} | ^ 2 $$ span>

由於台球不能互相穿過 $ \ mathbf {v_ {b2}} \ neq 0 $ span>,因此 $ \ mathbf {v_ {b2}} = \ mathbf {v_ {a1}} $ span>。

請注意,此結果取決於假設 $ \ Delta H = 0 $ span>;即,球的不變形將變形產生的能量100%轉換回機械能。即 彈性 碰撞。

Aleks J
2018-09-24 15:06:27 UTC
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讓我們從不同的參考框架來看待它,並使用一種簡單的相對論的思維方式:

考慮一個參考系,該參考系的原點 $(0,0)$ span>在兩個球之間的中點,並且以速度 $ \ frac {v} {2} $ span>與第一個球的方向相同。

然後在此參考框架中,兩個球均以速度 $ \ frac {v} {2} $ span>移動。在此參照系中,情況是對稱的,因此結果也必須是對稱的:兩個球都將以相同的速度反彈和後退(或彼此通過,這是不可能的),以保持動量。

當我們回到原始參照係時,這使我們最初處於靜止狀態的球現在保持靜止,而先前處於靜止狀態的球以速度運動 $v $ span>。

Anthony X
2018-09-24 00:45:44 UTC
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台球之間的碰撞本質上是彈性碰撞。儘管台球看起來很堅硬,但它們或多或少是有彈性的-材料對壓縮應力(壓力)產生一定程度的彈性應變(變形)。那應變儲存能量;完成了使材料變形的工作,該材料在消除應力後釋放回去,並且材料恢復了其原始形狀。應變很小,但不是零,除了可能是奇特或理論的材料外,沒有材料具有完美的彈性,因此碰撞會損失一些能量。儘管如此,撞球還是彈性碰撞的一個很好的近似值。

在碰撞中必須保持動量和能量。碰撞的能量來自兩個球之間的相對速度。保持該能量意味著碰撞後該相對速度的大小必須與以前相同。滿足此條件以及保持動量的唯一方法是,將所有打擊球的速度都傳遞給打擊球-打擊球停止。

由於種種原因,真實比賽檯面上真實撞球之間的碰撞更加複雜。這裡只是一些:

    滾動球既具有沿桌子運動的線性動量,又具有其滾動的角動量,因此,打擊球可能會“跟隨”被打擊的球。碰撞主要是傳遞線性動量,因此,雖然擊打球應在碰撞後最初停止,但其角動量可能會導致它在“驅動”運動表面時再次開始向前滾動。
  • 碰撞的“喀噠”聲是碰撞中的球輻射出的聲能;能量來自運動球的動能,而來自“系統”(兩個碰撞的球)。在現實世界中,它很小且幾乎沒有意義,但這只是彈性碰撞不完善的許多方式中的一個例子。
  • 比賽表面會在任何移動的球上施加阻力。如果球滑動,則存在摩擦力,導致球減速並開始滾動。如果球在滾動,它將阻止滾動。如果一個球在一個點上旋轉,它將開始沿某個方向移動(取決於其旋轉軸的方向)。如果不是這樣,那麼移動球將永遠不會停止。
Sykhow
2019-05-14 09:42:24 UTC
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擊中另一個球的球的停止取決於球甚至兩個球之一的彈性。如果這些球非常堅硬,如用木頭或金屬製成,那麼當一個球擊中另一個時,就沒有“等待時間”將動能從一個傳遞到另一個。它幾乎是瞬時的,因此一個球幾乎將其全部動能轉移到它擊中的球上。因此,球“幾乎”停止了。

例如。牛頓搖籃

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對於彈性球則不是這種情況。

enter image description here

考慮兩個相等的橡膠球,

當球A擊中B時,A的形狀會由於球B的慣性以及自身的彈性而發生變化。當球A鬆弛時,它將動能傳遞給球B,從而減去由於形狀變化和其他外部摩擦損失而引起的球A中的內部摩擦。現在,由於球A推動球B,球B變形了一點(進一步浪費了能量),並且當球A放鬆時+碰撞本身所賦予的能量推動球A向前移動。

現在,球A的命運是,它可以利用碰撞後剩下的很少的能量向前移動,也可以根據擊中另一個球的力向後滾動。

似乎第1球完全停止並且第2球以第1球的原始速度起飛的可能性更大。

我想念什麼?

如果上圖中的球A和B是剛性的,

球B不會以“原始速度”跳動,它可能接近原始速度,但永遠不會達到球A本身的速度。

由於動能幾乎全部轉移,球A停了下來。

希望這會有所幫助。



該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 4.0許可。
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