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2 球
3 球
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重置
也可以拖动最左边的球把它拉起,松开后碰撞连锁开始。
实时牛顿摆
速度矢量
轨迹
碰撞
动量守恒 + 动能守恒 → 进 k 个就出 k 个。
等质量弹性碰撞中,同时满足两个守恒定律的解只有“相同数量的球以相同速度从另一侧飞出”这一个。
动量与动能(碰撞前后守恒)
虚线=初始值的基准线。e=1 时,球每次在最低点碰撞时,p 和 KE 都会回到这条线(碰撞前后守恒)。e<1 时,每次碰撞后 KE 柱能达到的高度都会下降,逐渐衰减 。
与 CAE 的关系
它是碰撞仿真(LS-DYNA、Abaqus/Explicit )的基础模型。恢复系数的建模是缓冲吸能设计和碰撞安全分析的关键,球磨机和冲击成形也受同样的接触力学支配。
理论与主要公式
单摆运动: $\ddot{\theta}= -\dfrac{g}{L}\sin\theta$(半隐式欧拉积分)
弹性碰撞(等质量): $v_1' = \tfrac{1-e}{2}v_1 + \tfrac{1+e}{2}v_2,\; v_2' = \tfrac{1+e}{2}v_1 + \tfrac{1-e}{2}v_2$
守恒定律: $\sum m_i v_i = \text{const}$(动量),$e=1$ 时 $\sum \tfrac12 m_i v_i^2 = \text{const}$(动能)
单摆周期: $T = 2\pi\sqrt{\dfrac{L}{g}}$
每次碰撞的动能损失: $\propto (1-e^2)$
验证:N=5 时拉起 k=1 只有 1 个(其余静止),k=2 时 2 个,k=3 时 3 个从另一侧飞出(e=1 时 p 和 KE 完全守恒)。
具体计算示例
本工具的绳长固定为 L=1.0 m,g=9.81 m/s²,小振幅周期为 T=2π√(L/g)≈2.01 秒(与质量无关;拉起角 45° 时实际周期约长 4%)。每个球按 1 kg 处理,能量以 J/kg 显示。把球拉起 45° 时高度为 h=L(1−cos45°)≈0.293 m,势能为 g·h≈2.87 J/kg,在最低点变成同样大小的动能,速度为 √(2gh)≈2.40 m/s。k=2 时总能量加倍,约为 5.75 J/kg。恢复系数 e<1 时,撞击静止球的一次碰撞会损失动能的 (1−e²)/2(e=0.95 时约 4.9%)。5 个球排成一排时,每次摆动中碰撞会连锁发生,因此能量下降得更快。