Κεντρική Ελαστική Κρούση
Τύποι υ₁΄, υ₂΄, ίσες μάζες, κρούση με σώμα πολύ μεγάλης μάζας
Γιατί η λευκή μπάλα του μπιλιάρδου σταματά επί τόπου όταν χτυπά κεντρικά μια ακίνητη μπάλα; Γιατί μια μπάλα του τένις γυρίζει πίσω από τον τοίχο με την ίδια ταχύτητα, ενώ ο τοίχος δεν κουνιέται; Η κεντρική ελαστική κρούση, με δύο αρχές διατήρησης, απαντά σε όλα — και οι τύποι της αποδεικνύονται συχνά στο Θέμα Β.
Απόδειξη των τύπων της κεντρικής ελαστικής κρούσης
Με γράφουμε τις δύο αρχές διατήρησης:
Διαιρώντας κατά μέλη τη (2) με την (1) (αφού έγινε κρούση, ):
Αντικαθιστώντας στην (1): , απ' όπου και .
Στην κεντρική ελαστική κρούση τα σώματα απομακρύνονται με την ίδια σχετική ταχύτητα με την οποία πλησίαζαν. Με ακίνητο στόχο: . Είναι ο γρηγορότερος έλεγχος των τύπων: για , αν βρεις και , τότε ✓.
Ειδικές περιπτώσεις που «πιάνουν» στις Πανελλήνιες
- Ίσες μάζες (): τα σώματα ανταλλάσσουν ταχύτητες — το πρώτο σταματά, το δεύτερο φεύγει με
- (ακίνητος «τοίχος»): το ελαφρύ σώμα ανακλάται με , το βαρύ μένει πρακτικά ακίνητο
- : το βαρύ συνεχίζει σχεδόν ανεπηρέαστο, το ελαφρύ εκτοξεύεται με
Το πρόσημο του δείχνει αν το βλήμα συνεχίζει μπροστά () ή αναπηδά πίσω ().
Ελαστική κρούση με ακίνητο σώμα πολύ μεγάλης μάζας
Αν (μπάλα σε τοίχο), οι τύποι δίνουν και : η μπάλα ανακλάται με ταχύτητα ίσου μέτρου.
- Η μεταβολή της ορμής της μπάλας είναι — όχι μηδέν. Ο τοίχος παίρνει ορμή , αλλά πρακτικά καθόλου κινητική ενέργεια, γιατί .
- Πλάγια κρούση σε τοίχο: αν η μπάλα προσπίπτει υπό γωνία με την κάθετο, αντιστρέφεται μόνο η κάθετη συνιστώσα της ταχύτητας, ενώ η παράλληλη μένει ίδια. Έτσι η μπάλα φεύγει με την ίδια ταχύτητα, υπό την ίδια γωνία από την άλλη πλευρά της καθέτου, και , κάθετα στον τοίχο.
Στο «λίκνο του Νεύτωνα» (οι πέντε κρεμαστές ατσάλινες μπίλιες), αν σηκώσεις και αφήσεις μία μπίλια, από την άλλη άκρη φεύγει μία, όχι δύο με τη μισή ταχύτητα. Δύο μπίλιες με θα είχαν την ίδια ορμή , αλλά μόνο τη μισή κινητική ενέργεια. Οι κρούσεις εκεί είναι σχεδόν ελαστικές, άρα πρέπει να διατηρούνται και τα δύο, και αυτό το πετυχαίνει μόνο η «μία για μία».
Άσκηση: Σφαίρα μάζας που κινείται με συγκρούεται κεντρικά και ελαστικά με ακίνητη σφαίρα μάζας . Να βρεθούν οι ταχύτητες μετά την κρούση.
Λύση:
Η αναπηδά πίσω (αρνητικό πρόσημο), η φεύγει μπροστά. Επαλήθευση: ορμή πριν , μετά ✓ και κινητική ενέργεια πριν , μετά ✓.
Σφαίρα Α συγκρούεται κεντρικά και ελαστικά με ακίνητη σφαίρα Β και μετά την κρούση κινείται αντίθετα, με ταχύτητα μέτρου . Ο λόγος είναι:
Σφαίρα συγκρούεται κεντρικά και ελαστικά με ακίνητη σφαίρα ίσης μάζας. Τι συμβαίνει μετά την κρούση;
Μέθοδος: κεντρική ελαστική κρούση
- Όρισε θετική φορά και γράψε τις ταχύτητες με πρόσημα.
- Αν , χρησιμοποίησε απευθείας και .
- Αν και τα δύο κινούνται, γράψε ΑΔΟ και ΑΔΚΕ και λύσε το σύστημα (ή χρησιμοποίησε ότι η σχετική ταχύτητα αντιστρέφεται: ).
- Έλεγξε: ορμή πριν = μετά και κινητική ενέργεια πριν = μετά.
- Ποσοστό μεταφοράς ενέργειας στο : , μέγιστο () για ίσες μάζες.
Θέμα τύπου Πανελλαδικών (Θέμα Γ): Σφαίρα Α μάζας κινείται σε λείο οριζόντιο δάπεδο με και συγκρούεται κεντρικά και ελαστικά με ακίνητη σφαίρα Β μάζας . Μετά την κρούση η Β ανεβαίνει σε λείο κεκλιμένο επίπεδο. Δίνεται . (α) Να βρεθούν οι ταχύτητες μετά την κρούση. (β) Τι ποσοστό της κινητικής ενέργειας της Α μεταβιβάστηκε στη Β; (γ) Σε ποιο μέγιστο ύψος φτάνει η Β;
Δεδομένα: , , , , ελαστική. Ζητούμενα: , , ποσοστό, .
Λύση: Θετική φορά η φορά της .
(α) και — και οι δύο θετικές: η βαρύτερη Α συνεχίζει προς τα εμπρός.
(β) και , άρα ποσοστό .
(γ) ΑΔΜΕ για τη Β: .
Έλεγχος: ορμή πριν , μετά ✓· κινητική ενέργεια μετά ✓.
Απάντηση: , , , .
Άσκηση: Μπάλα μάζας χτυπά κάθετα σε τοίχο με ταχύτητα και ανακλάται ελαστικά. Η επαφή διαρκεί . (α) Πόση είναι η μεταβολή της ορμής της; (β) Πόση μέση δύναμη ασκεί ο τοίχος; (γ) Πόση θα ήταν η μεταβολή της ορμής αν η μπάλα χτυπούσε υπό γωνία με την κάθετο;
Λύση: Θετική η φορά προς τον τοίχο.
(α) (μέτρο , αντίθετα από την αρχική κίνηση).
(β) .
(γ) Αντιστρέφεται μόνο η κάθετη συνιστώσα : , κάθετα στον τοίχο.
Μπάλα μάζας χτυπά κάθετα σε ακλόνητο τοίχο με ταχύτητα και ανακλάται ελαστικά. Πόσο είναι το μέτρο της μεταβολής της ορμής της;
Κρούση και ταλάντωση. Σώμα μάζας κινείται με σε λείο οριζόντιο δάπεδο και συγκρούεται κεντρικά και ελαστικά με ακίνητο σώμα μάζας , δεμένο στο άκρο οριζόντιου ελατηρίου που έχει το φυσικό του μήκος. (α) Βρες τις ταχύτητες μετά την κρούση. (β) Βρες το πλάτος και την περίοδο της ταλάντωσης του . (γ) Θα ξανασυγκρουστούν;
Δοκίμασε πρώτα μόνος σου — μετά δες τη λύση
(α) (αναπηδά), .
(β) Η κρούση γίνεται στη θέση ισορροπίας του , άρα . , , .
(γ) Το ξαναπερνά από το σημείο της κρούσης μετά από , κινούμενο προς τα πίσω, και φτάνει το πολύ πίσω από αυτό. Στο μεταξύ το έχει απομακρυνθεί κατά και συνεχίζει να απομακρύνεται: δεν θα ξανασυγκρουστούν.
Απάντηση: και · , · όχι.
- Έτοιμοι τύποι με κινούμενο στόχο. Οι τύποι για , ισχύουν μόνο για .
- Ξεχασμένο πρόσημο στο . Αρνητικό σημαίνει αναπήδηση () — κράτα το στις επόμενες φάσεις.
- «Ο τοίχος δεν παίρνει ορμή». Παίρνει · δεν παίρνει (πρακτικά) κινητική ενέργεια.
- Πλάγια κρούση σε τοίχο με . Αντιστρέφεται μόνο η κάθετη συνιστώσα: .
- Κεντρική ελαστική με : , (από ΑΔΟ + ΑΔΚΕ).
- Η σχετική ταχύτητα αντιστρέφεται: .
- Ίσες μάζες ⇒ ανταλλαγή ταχυτήτων και πλήρης μεταφορά ενέργειας.
- : , · πλάγια: γωνία πρόσπτωσης = γωνία ανάκλασης.