パラメータ設定
プリセット
左端の球をドラッグして引き上げてもOK。離すと衝突の連鎖が始まります。
リアルタイム・ニュートンのゆりかご
速度ベクトル
軌跡
衝突
運動量保存 + 運動エネルギー保存 → k 個入れば k 個出る。
等質量の弾性衝突で両方の保存則を同時に満たす解は「同じ数の球が同じ速さで反対側から出る」これだけです。
運動量 & 運動エネルギー(衝突を通して保存)
破線=初期値の基準線。e=1 では、球が最下点で衝突するたびに p も KE もこの線まで戻ります(衝突の前後で保存)。e<1 では衝突のたびに KE バーの届く高さが下がり、徐々に減衰します。
CAEとの関係
衝突シミュレーション(LS-DYNA・Abaqus/Explicit)の基礎モデルです。反発係数のモデル化は衝撃吸収設計・衝突安全解析の要であり、ボールミルや打撃成形も同じ接触力学で支配されます。
理論・主要公式
- 振り子運動: $\ddot{\theta}= -\dfrac{g}{L}\sin\theta$(半陰的オイラー積分)
- 弾性衝突(等質量): $v_1' = \tfrac{1-e}{2}v_1 + \tfrac{1+e}{2}v_2,\; v_2' = \tfrac{1+e}{2}v_1 + \tfrac{1-e}{2}v_2$
- 保存則: $\sum m_i v_i = \text{const}$(運動量)、$e=1$ なら $\sum \tfrac12 m_i v_i^2 = \text{const}$(運動エネルギー)
- 振り子周期: $T = 2\pi\sqrt{\dfrac{L}{g}}$
- 1衝突あたりKE損失: $\propto (1-e^2)$
検証:N=5 で k=1 を入れると 1 個だけ(他は静止)、k=2 で 2 個、k=3 で 3 個が反対側から飛び出します(e=1 で p・KE 完全保存)。
具体的な計算例
本ツールの糸の長さは L=1.0 m(固定)、g=9.81 m/s² で、小振幅の周期は T=2π√(L/g)≈2.01 秒です(質量に依存しません。引き上げ角45°では実際の周期は約4%長くなります)。球の質量は1 kgとして扱い、エネルギーは J/kg で表示されます。球を45°引き上げると高さは h=L(1−cos45°)≈0.293 m、位置エネルギーは g·h≈2.87 J/kg で、最下点では同じ大きさの運動エネルギーになり、速さは √(2gh)≈2.40 m/s です。k=2 なら合計エネルギーは2倍の約5.75 J/kg です。反発係数 e<1 では、静止した球に当たる1回の衝突で運動エネルギーの (1−e²)/2 が失われます(e=0.95 で約4.9%)。球が5個並ぶと1回の振りで衝突が連鎖するため、エネルギーはさらに速く減ります。