皮球跳起的高度
實(shí)踐中很少能夠直接應(yīng)用上節(jié)中推導(dǎo)出的物體撞擊公式,因?yàn)椤胺峭耆珡椥晕矬w”和“完全彈性物體”并不多見(jiàn),絕大多數(shù)的物體都介于二者之間,它們不是完全彈性的,也不是完全非彈性的。
就以日常所見(jiàn)的皮球?yàn)槔?,在這里我們忽略會(huì)被古寓言作家嘲笑的可能性來(lái)問(wèn)自己一個(gè)問(wèn)題:球是什么?力學(xué)眼中的球是完全彈性的還是非完全彈性的?
要判斷皮球的彈性并不難,讓它從一定的高度下落到一個(gè)堅(jiān)硬的平面就行了。從物理學(xué)的角度來(lái)講,如果它是完全彈性的,下落后它會(huì)彈回原來(lái)的高度,如果它是非完全彈性的,就不可能彈回到原來(lái)的高度。
令人好奇的是,非完全彈性的皮球落地后究竟會(huì)怎樣呢?我們有必要先來(lái)探討一下彈性撞擊。
我們所說(shuō)的“非完全彈性”的球是指那些當(dāng)它的形狀被外力作用改變后不能完全恢復(fù)原狀的球。這種球在恢復(fù)原狀的過(guò)程中,作用于它的力要比使它形狀改變的力小。相應(yīng)的,在恢復(fù)原狀的過(guò)程中再次失去的速度也要比它因撞擊導(dǎo)致形狀改變時(shí)失去的速度小,只是它的一部分,我們用小數(shù)e來(lái)表示這個(gè)比例,e就是恢復(fù)系數(shù)。
顯然,第一次失去的速度是,第二次失去的速度是,這次撞擊使球失去的總速度為,撞擊后剩余的速度為。
撞擊中的另外一方速度為u2,它在皮球的反作用的影響下發(fā)生后退,它的大小應(yīng)該是。根據(jù)可以得到恢復(fù)系數(shù)。如果非完全彈性的球向固定的平面上撞擊,那么速度,這時(shí)的恢復(fù)系數(shù)為。
我們已經(jīng)找到了求系數(shù)e的方法,e的作用是表示具有“非完全彈性”特點(diǎn)的球的“不完全”程度,是要測(cè)量出球下落和跳起的高度,計(jì)算出它們的比值后開(kāi)平方,得到的平方根就是系數(shù)e。
圖48好的網(wǎng)球從250厘米高度落下后應(yīng)該能跳起大約140厘米
我們用網(wǎng)球來(lái)舉例,依據(jù)運(yùn)動(dòng)的規(guī)則,使一只完好的網(wǎng)球從250厘米的高處落下,它與地面碰撞后可以跳起的高度是127厘米~152厘米(如圖48所示)。網(wǎng)球的恢復(fù)系數(shù)e的值應(yīng)該在之間,也就是說(shuō),e的范圍是0.71~0.78?,F(xiàn)在我們?nèi)∫粋€(gè)平均值0.75,也就是說(shuō)假設(shè)球的彈性是75%,我們來(lái)做幾個(gè)讓運(yùn)動(dòng)員非常有興趣參與的計(jì)算。
【題目1】球從高度為H的位置下落,它的第二、第三次以及之后的各次起跳的高度分別是多少?
【解題】第一次起跳的高度可將e=0.75和H=250厘米代入公式,即,得到140≈h厘米。
第二次起跳相當(dāng)于從140厘米的位置下落,它跳起的高度h1通過(guò)對(duì)計(jì)算可得:h1≈79厘米。第三次起跳的高度h2通過(guò)對(duì)計(jì)算可得:。
接下來(lái)用同樣的方法也可依次計(jì)算出每次起跳的高度值。
假設(shè)這個(gè)球是從埃菲爾鐵塔上(H=300米)落下的,那么在不計(jì)算空氣阻力的情況下,它的第一次起跳高度是168米,第二次是94米,等等(見(jiàn)圖49)。但事實(shí)上由于速度太快,空氣的阻力也會(huì)特別大。
【題目2】球從高度為H的位置上落下后,能保持多久的跳起?
【解題】根據(jù)目前已知的每次起跳的高度:
可得每次跳起的時(shí)間為:
將每次跳起的時(shí)間相加,可以得到各次跳起的時(shí)間總和是:
圖49球從埃菲爾鐵塔落下能跳多高
即:
你可以自己做一下接下來(lái)的計(jì)算步驟,最后的結(jié)果一定是:
把已知的數(shù)值H=2.5米、g=9.8米/秒2、e=0.75代入上式,可得到球起跳的總時(shí)間為5秒,也就是說(shuō),球落下后,會(huì)保持5秒鐘的跳起。
如果球是從埃菲爾鐵塔塔頂落下來(lái)的,那么在不計(jì)算空氣阻力的前提下,假設(shè)球在落地時(shí)沒(méi)有被撞碎,它會(huì)保持大約54秒的跳起。
球從僅有幾米的高度上落下來(lái)的速度不大,所以空氣的阻力也小,對(duì)跳起的高度幾乎沒(méi)有什么影響。曾有人做過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn),對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行了證實(shí)。他們使一個(gè)恢復(fù)系數(shù)為0.76的球從250厘米高的位置上落下來(lái),它第二次跳起的高度是83厘米,而在真空狀態(tài)下,它第二次起跳是84厘米,差距并不大。
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