Найдите скорость двух шаров после прямого абсолютно упругого удара. Массы шаров 100 г и 200 г, их скорости до удара 3 м/с и 1 м/с соответственно.
от

1 Ответ

Дано:

Масса первого шара m1 = 100 г = 0.1 кг  
Масса второго шара m2 = 200 г = 0.2 кг  
Скорость первого шара до удара v1 = 3 м/с  
Скорость второго шара до удара v2 = 1 м/с  

Найти:

Скорости шаров после удара v1' и v2'  

Решение:

При абсолютно упругом ударе сохраняются как импульс, так и кинетическая энергия.

1. Сначала запишем закон сохранения импульса:

m1 * v1 + m2 * v2 = m1 * v1' + m2 * v2'

0.1 * 3 + 0.2 * 1 = 0.1 * v1' + 0.2 * v2'  

0.3 + 0.2 = 0.1 * v1' + 0.2 * v2'  

0.5 = 0.1 * v1' + 0.2 * v2'   (1)

2. Следующий шаг — закон сохранения кинетической энергии:

(1/2) * m1 * v1^2 + (1/2) * m2 * v2^2 = (1/2) * m1 * (v1')^2 + (1/2) * m2 * (v2')^2

(1/2) * 0.1 * 3^2 + (1/2) * 0.2 * 1^2 = (1/2) * 0.1 * (v1')^2 + (1/2) * 0.2 * (v2')^2  

0.5 * 0.1 * 9 + 0.5 * 0.2 * 1 = 0.05 * (v1')^2 + 0.1 * (v2')^2  

0.45 + 0.1 = 0.05 * (v1')^2 + 0.1 * (v2')^2  

0.55 = 0.05 * (v1')^2 + 0.1 * (v2')^2   (2)

3. Теперь решим систему уравнений (1) и (2).

Из уравнения (1) выразим v1':

v1' = (0.5 - 0.2 * v2') / 0.1  
v1' = 5 - 2 * v2'   (3)

4. Подставим (3) в (2):

0.55 = 0.05 * (5 - 2 * v2')^2 + 0.1 * (v2')^2

Разложим (5 - 2 * v2')^2:

(5 - 2 * v2')^2 = 25 - 20 * v2' + 4 * (v2')^2

0.55 = 0.05 * (25 - 20 * v2' + 4 * (v2')^2) + 0.1 * (v2')^2  

0.55 = 1.25 - 1 * v2' + 0.2 * (v2')^2

0 = 0.2 * (v2')^2 - v2' + 0.7  

5. Умножим уравнение на 5 для удобства:

0 = (v2')^2 - 5 * v2' + 3.5  

6. Решим квадратное уравнение по формуле:

v2' = [5 ± sqrt(5^2 - 4 * 1 * 3.5)] / (2 * 1)  
v2' = [5 ± sqrt(25 - 14)] / 2  
v2' = [5 ± sqrt(11)] / 2  

7. Вычислим v2':

v2' ≈ (5 ± 3.32) / 2

Таким образом, у нас есть два корня:

v2' ≈ (8.32) / 2  ≈ 4.16 м/с  
или  
v2' ≈ (1.68) / 2  ≈ 0.84 м/с  

8. Подставим значение v2' в (3) для нахождения v1':

Для v2' ≈ 4.16:  
v1' = 5 - 2 * 4.16 ≈ 5 - 8.32 ≈ -3.32 м/с  

Для v2' ≈ 0.84:  
v1' = 5 - 2 * 0.84 ≈ 5 - 1.68 ≈ 3.32 м/с  

Однако, для физической корректности, принимаем только положительные значения скоростей:

Если v2' = 0.84 м/с, то v1' = 3.32 м/с.  
Если v2' = 4.16 м/с, то v1' = -3.32 м/с (шар изменяет направление).

Ответ:

Скорость первого шара после удара v1' ≈ 3.32 м/с, скорость второго шара после удара v2' ≈ 0.84 м/с.
от