В физике столкновением называется любое событие, при котором два или более тел оказывают друг на друга силы за относительно короткое время. Хотя наиболее распространенное использование слова « столкновение» относится к случаям, когда два или более объектов сталкиваются с большой силой, научное использование этого термина ничего не подразумевает о величине силы. [1]
Столкновение — это кратковременное взаимодействие между двумя телами или более чем двумя телами одновременно, вызывающее изменение движения участвующих тел за счет внутренних сил, действовавших между ними при этом. В столкновениях участвуют силы (происходит изменение скорости ). Величина разницы скоростей непосредственно перед ударом называется скоростью сближения . Все столкновения сохраняют импульс . Что отличает разные типы столкновений, так это то, сохраняют ли они также кинетическую энергию системы до и после столкновения. Столкновения бывают трёх типов:
Степень упругости или неупругости столкновения количественно определяется коэффициентом восстановления , значение которого обычно колеблется от нуля до единицы. Совершенно упругое столкновение имеет коэффициент восстановления, равный единице; совершенно неупругое столкновение имеет коэффициент восстановления, равный нулю. Линия удара — это линия, коллинеарная общей нормали поверхностей, находящихся ближе всего или соприкасающихся во время удара. Это линия, по которой действует внутренняя сила столкновения при ударе, и коэффициент восстановления Ньютона определяется только по этой линии.
Столкновения в идеальных газах приближаются к идеально упругим столкновениям, как и рассеянные взаимодействия субатомных частиц , отклоняемых электромагнитной силой . Некоторые крупномасштабные взаимодействия, такие как гравитационное взаимодействие типа рогатки между спутниками и планетами, почти идеально упругие.
Столкновения играют важную роль в биточном спорте . Поскольку столкновения между бильярдными шарами почти упругие , а шары катятся по поверхности, которая создает низкое трение качения , их поведение часто используется для иллюстрации законов движения Ньютона . После столкновения движущегося шара с неподвижным шаром равной массы без трения угол между направлениями двух шаров равен 90 градусов. Это важный факт, который принимают во внимание профессиональные игроки в бильярд [2] , хотя он предполагает, что шар движется по столу без какого-либо трения, а не катится с трением. Рассмотрим упругое столкновение в двух измерениях любых двух масс m 1 и m 2 с соответствующими начальными скоростями u 1 и u 2 , где u 2 = 0 , и конечными скоростями V 1 и V 2 . Сохранение импульса дает m 1 ты 1 знак равно m 1 V 1 + m 2 V 2 . Сохранение энергии при упругом столкновении дает (1/2) м 1 | ты 1 | 2 = (1/2) м 1 | В 1 | 2 + (1/2) м 2 | В 2 | 2 . Теперь рассмотрим случай m 1 = m 2 : получаем u 1 = V 1 + V 2 и | ты 1 | 2 = | В 1 | 2 + | В 2 | 2 . Беря скалярное произведение каждой части первого уравнения на себя, | ты 1 | 2 знак равно ты 1 • ты 1 знак равно | В 1 | 2 + | В 2 | 2 + 2 В 1 • В 2 . Сравнивая это с последним уравнением, получаем V 1 • V 2 = 0, so they are perpendicular unless V1 is the zero vector (which occurs if and only if the collision is head-on).
In a perfect inelastic collision, i.e., a zero coefficient of restitution, the colliding particles coalesce. It is necessary to consider conservation of momentum:
where v is the final velocity, which is hence given by
The reduction of total kinetic energy is equal to the total kinetic energy before the collision in a center of momentum frame with respect to the system of two particles, because in such a frame the kinetic energy after the collision is zero. In this frame most of the kinetic energy before the collision is that of the particle with the smaller mass. In another frame, in addition to the reduction of kinetic energy there may be a transfer of kinetic energy from one particle to the other; the fact that this depends on the frame shows how relative this is. With time reversed we have the situation of two objects pushed away from each other, e.g. shooting a projectile, or a rocket applying thrust (compare the derivation of the Tsiolkovsky rocket equation).
Collisions of an animal's foot or paw with the underlying substrate are generally termed ground reaction forces. These collisions are inelastic, as kinetic energy is not conserved. An important research topic in prosthetics is quantifying the forces generated during the foot-ground collisions associated with both disabled and non-disabled gait. This quantification typically requires subjects to walk across a force platform (sometimes called a "force plate") as well as detailed kinematic and dynamic (sometimes termed kinetic) analysis.
An object may deliberately be made to crash-land on another celestial body, to do measurements and send them to Earth before being destroyed, or to allow instruments elsewhere to observe the effect. See e.g.: