恢复系数模拟器 返回
碰撞力学模拟器

恢复系数模拟器 — 弹跳球的衰减

基于初始高度 h、恢复系数 e、重力加速度 g 与弹跳次数 n,实时计算落地速度、第 n 次弹跳高度、总弹跳时间与总垂直行程。配合地板上弹跳轨迹与 h_n = h·e^(2n) 几何级数衰减曲线可视化,直观掌握碰撞力学的核心规律。

参数设置
初始高度 h
m
恢复系数 e
重力加速度 g
m/s²
弹跳次数 n

默认值为 h = 2.0 m、e = 0.80(弹性橡胶球级别)、g = 9.81 m/s²(地球)、n = 5 次。e < 1 时总弹跳时间 T 与总行程 D 作为无穷级数之和收敛到有限值。

计算结果
落地速度 v₀
第 n 次弹跳高度
总弹跳时间 T
总垂直行程 D
弹跳轨迹(地板上 n 次)

棕色带=地板/蓝色抛物线=各次弹跳轨迹(从左到右共 n 次)/黄圆点=各次弹跳的最高点/白色数字=最高点高度 [m]/x 方向仅为版面排布(实际无水平移动)

弹跳高度的几何级数衰减

横轴=弹跳次数 n(0〜30)/纵轴=弹跳高度 h_n = h·e^(2n) [m]/蓝色曲线=当前 e 的衰减/浅色曲线=e = 0.5, 0.7, 0.9 比较/黄圆点=当前 n 的标记

理论与主要公式

恢复系数 $e$ 由 Newton 定义为碰撞前后相对速度之比,描述单次碰撞中能量耗散的程度。

落地速度(自由落体):

$$v_0 = \sqrt{2gh}$$

第 $n$ 次弹跳的最高点高度与碰撞前速度:

$$h_n = h\,e^{2n},\qquad v_n = v_0\,e^{n}$$

无穷级数总弹跳时间 $T$ 与总垂直行程 $D$($e<1$ 时收敛):

$$T = \frac{2v_0}{g}\cdot\frac{1+e}{1-e},\qquad D = h\cdot\frac{1+e^2}{1-e^2}$$

$h$ 为初始落下高度 [m],$g$ 为重力加速度 [m/s²],$e$ 为恢复系数($0 \le e \le 1$)。$e=1$ 完全弹性,$e=0$ 完全非弹性。典型橡胶球 $e\approx 0.8$,高尔夫球 $\approx 0.78$。

恢复系数模拟器是什么

🙋
高中物理学过「恢复系数 e」这个名词,但实际上把球从某个高度落下,能算出哪些数值呢?
🎓
问得好。Newton 在 17 世纪定义恢复系数 e 为「碰撞后相对速度 ÷ 碰撞前相对速度」,是一个无量纲量。把球落到地板上时,可以一口气算出落地速度 v₀ = √(2gh)、第 1 次反弹后速度 v₁ = e·v₀、反弹高度 h₁ = e²·h。本模拟器默认 h=2 m, e=0.80, g=9.81, n=5,计算结果会显示 v₀=6.26 m/s、5 次后高度 0.215 m、总弹跳时间 11.49 秒、总垂直行程 9.11 m。
🙋
咦?球理论上要无限次弹跳,可总弹跳时间却只有 11.49 秒?
🎓
这就是恢复系数有趣的地方。各次弹跳所需时间 t_n = (2v_0·e^n)/g 构成公比为 e 的等比数列,其无穷和 T = (2v_0/g)·(1+e)/(1-e) 在 e<1 时收敛到有限值。e=0.80 时 (1+0.8)/(1-0.8) = 9 倍,第 1 次往返 1.28 秒乘以 9 等于约 11.5 秒。次数无限但时间有限 — 这是 Zeno 悖论的经典力学版本。把 e 调到 0.99,T 就会急剧增大。
🙋
网球、高尔夫球的 e 大概是多少?棒球之类也想知道。
🎓
标准试验中代表值大致为:高尔夫球(硬地板)e ≈ 0.78,网球(混凝土)0.73〜0.76,棒球(木质球棒)0.55,篮球(官方场地)0.76,超级弹跳球(橡胶)约 0.92。NFL 的皮制美式橄榄球意外地低,约 0.4。在本模拟器里把 e 切换为 0.55(棒球)和 0.92(超级球),后者 5 次弹跳后还剩近 1 m,前者却降到 0.05 m 以下。专业体育用品规格严格限定 e 的允许范围。
🙋
右边图中 e=0.5 和 e=0.9 的曲线差异巨大。这与能量守恒有什么关系?
🎓
关键点。一次碰撞速度变为 e 倍 → 动能保留 e² 倍,即 (1-e²) 比例转化为热、声和变形能。e=0.5 时一次碰撞损失 75% 能量,e=0.9 时仅损失 19%。h_n = h·e^(2n) 中的指数 2n 正是来自「速度 → 能量 → 高度」这个二次链。在右图扫描 n 比较 e=0.9 的缓和衰减与 e=0.5 的陡峭崩塌,等比数列的威力一目了然。

常见问题

恢复系数 e 是 Newton 定义的无量纲量,等于碰撞后相对速度与碰撞前相对速度之比,用于刻画「碰撞质量」。e = 1 表示完全弹性碰撞(能量守恒),e = 0 表示完全非弹性碰撞(粘在一起),实际物体均落在 0 < e < 1 之间。例如高尔夫球落在硬地板 e ≈ 0.78,网球 e ≈ 0.75,棒球与木质球棒 e ≈ 0.55。在本模拟器中将 e 从 0.0 拉到 0.99,即可直观看到弹跳高度衰减速度的剧烈变化。
这是 Zeno 悖论的经典力学版本。各次弹跳时间 t_n = (2v_0·e^n)/g 构成公比 e 的等比数列,其无穷和 T = (2v_0/g)·(1+e)/(1-e) 在 e < 1 时收敛到有限值。例如 h=2 m, e=0.8, g=9.81 m/s² 时 T ≈ 11.5 秒后所有运动停止。次数本身在数学上无穷,但实际上当弹跳高度达到分子振动尺度(10⁻¹⁰ m)时球就停了。在本模拟器中将 e 接近 0.99,T 急剧增大;将 e 接近 0,运动几乎瞬间停止。
每次碰撞速度乘以 e,但高度与速度平方成正比(h = v²/(2g))。因此一次弹跳高度变为 e² 倍,n 次后是 (e²)^n = e^(2n) 倍。以 e=0.8 为例,每次弹跳高度比为 0.64,5 次后剩 0.64⁵ ≈ 0.107 倍,即从 2 m 衰减到 0.215 m。从能量角度看,每次碰撞保留 e² 倍动能,得到相同结果。在本模拟器中调整 e 与 n 即可直接观察这一几何级数的剧烈衰减。
本工具基于 Newton 的恢复系数定义,忽略了空气阻力、球的旋转、地板弹性响应时间、温度依赖性、接触摩擦和球内振动模等。实际上高尔夫球落在草地 e 会降到 0.4,硬球之间一次碰撞会升温导致 e 随时间漂移,从 2 m 高度落下时空气阻力使落地速度降低约 0.3%,超低温下许多橡胶材料的 e 会下降。本工具足以理解碰撞力学的基本几何并做粗略估算,精确测量请参照 ASTM F2117 或 ISO 8124 等标准试验。

实际应用

体育用品质量规格:ITF 要求网球从 254 cm 高处落到混凝土上反弹 135〜147 cm,对应 e ≈ 0.73〜0.76。MLB 规定官方棒球从 8 英尺(2.44 m)落到大理石板上保留 0.514〜0.578 倍速度(e ≈ 0.514〜0.578)。USGA 规定高尔夫球与球杆组合的 COR(恢复系数)不得超过 0.83,超出者禁止在正式比赛中使用。在本模拟器中将 e 切换为 0.55、0.78 与 0.92,即可直观感受不同体育用品的差异。

汽车碰撞安全设计:车辆前后向碰撞分析中,保险杠与车架的设计需要考虑恢复系数 e。完全非弹性 e ≈ 0 的可压溃区通过车体变形吸收碰撞能量,将乘员减速度降到最小;e ≈ 1 则会让乘员向反方向弹回,颈椎损伤风险急剧上升。NCAP 正面碰撞测试目标 e ≈ 0.1〜0.2,动能耗散率 1-e² 达到 96〜99%。

材料与颗粒物试验:水泥与粉体的填充密度评估中,把颗粒从已知高度落下并测量反弹高度算出 e,可以评估表面粗糙度、粒径与湿度的影响。干燥硅胶颗粒 e ≈ 0.65,湿砂粒 e ≈ 0.05,差异巨大,决定了筒仓与气力输送管路的壁面磨损率。Leeb 硬度试验中也用钢球冲击的速度比测 e,再换算为材料硬度。

机器人抓手控制:工业机械臂在抓取易碎物品时必须考虑接触对的 e。玻璃制品(e ≈ 0.95)反弹强烈,需要采用真空吸盘或低粘弹橡胶(e ≈ 0.2)抓手。协作机器人(cobot)的安全认证 ISO/TS 15066 限制接触人体时的动量交换,允许接近速度直接由机器人表面 e 与人体组织 e 的组合决定。

常见误解与注意事项

最常见的误解是「恢复系数 e 与质量或落下高度有关」。Newton 的定义 e = v_after/v_before 仅是速度比,不含质量;对固定材料对与接触条件,e 是该对的固有性质,因此高尔夫球落在大理石板上,从 1 m 与 5 m 高度下落得到的 e 相同。仅当冲击速度极高(>50 m/s)时塑性变形会使 e 下降,因此 ASTM 等标准严格指定试验速度。在本模拟器中将 h 从 0.1 拉到 10 m,可以确认 h_n/h 比值不变 — h 仅通过 v_0 与总量进入。

其次是「e=1 时实际球会无限弹跳」的错觉。本模拟器滑块仅到 0.99,即使 e=1,实际球也会因内部摩擦、空气阻力、传入地板的振动能量而衰减。完全弹性碰撞是理想化极限,仅在超导磁悬浮球等特殊系统中近似实现。在本模拟器中设 e=0.99 会得到极长的 T(数百秒),这是 Newton 模型的预言,但实际系统始终会因附加耗散通道而短得多。

最后,常有人以为「斜碰也能用同一公式」。斜向碰撞中 e 仅适用于速度的法向分量,切向分量通过摩擦系数 μ 与角动量另行衰减。棒球击球角度与乒乓球旋转行为均需此二分量分解。本工具仅限于「竖直自由落体 + 法向碰撞」的理想一维情形;实际体育计算需采用包含弹跳角、旋转速度与摩擦的六自由度模型(Hertz 接触理论等)。