碰撞

錢乙
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碰撞(英語:collision )，在物理學中表現為兩粒子或物體間極短的相互作用。 碰撞前後參與物發生速度，動量或能量改變。由能量 轉移的方式區分為彈性碰撞和非彈性碰撞。 彈性碰撞是碰撞前後整個系統的動能不變的碰撞。彈性碰撞的必要條件是動能沒有轉成其他形式的能量（熱能、轉動能量），例如原子的碰撞。非彈性碰撞是碰撞後整個系統的部分動能轉換成至少其中一碰撞物的內能，使整個系統的動能無法守恆。

名詞解釋

兩個作相對運動的物體，接觸並迅速改變其運動狀態的現象。可以是宏觀物體的碰撞，如打夯、鍛壓、擊球等，也可以是微觀粒子如原子、核和亞原子粒子間的碰撞。經典力學中通常研究兩個球的正碰，即其相對速度正好在球心的聯線上。

由於碰撞過程十分短暫，碰撞物體間的衝力遠比周圍物體給它們的力為大，後者的作用可以忽略，這兩物體組成的系統可視為孤立系統。動量和能量守恆，但機械能不一定守恆。

如果兩球的彈性都很好，碰撞時因變形而儲存的勢能，在分離時能完全轉換為動能，機械能沒有損失，稱完全彈性碰撞，鋼球的碰撞接近這種情況。如果是塑性球間的碰撞，其形變完全不能恢復，碰撞後兩球同速運動。

很大部分的機械能通過內摩擦轉化為內能，稱完全非彈性碰撞，如泥球或蠟球的碰撞，衝擊擺也屬於這一類。介於兩者之間的即兩球分離時只部分地恢復原狀的，稱非完全彈性碰撞，機械能的損失介於上述兩類碰撞之間。

微觀粒子間的碰撞，如只有動能的交換，而無粒子的種類、數目或內部運動狀態的改變者，稱彈性碰撞或彈性散射；如不僅交換動能，還有粒子能態的躍遷或粒子的產生和湮沒，則稱非彈性碰撞或非彈性散射。在粒子物理學中可藉此獲得有關粒子間相互作用的信息，是頗為重要的研究課題。

碰撞過程時間極短，所以內力總是大於外力，動量必守恆。

（1）碰撞一般分為壓縮階段和恢復階段兩個過程。

（2）碰撞可以分為以下幾類：完全彈性碰撞、完全非彈性碰撞和非完全彈性碰撞。

碰撞中的能量轉化

在壓縮階段中物體的動能轉化為其他形式的能量，而在恢復階段中其他形式的能量轉化為動能。

在完全彈性碰撞中，碰撞前後總動能不變。

碰撞分類

按能量角度

理想彈性碰撞

兩個物體互相碰撞，能量不轉換為內能（如熱或變形）。按照熱力學第一定律，碰撞前動能和與碰撞後動能和相等。在動量守恆定律中碰撞前的動量（向量）和同樣等於碰撞後的動量和。

理想彈性碰撞在宏觀上是一個物理模型。由於摩擦和其他因素的存在，系統總會損失動能。相關的模型如檯球和橡膠球。

在原子和基本粒子的碰撞中，依據量子力學存在一個最小能，這個最小能給原子或其他粒子以推動力，或在量子物理學中創造和和轉換粒子提供必要條件。這個能量仍然不足以發生理想彈性碰撞。

按照熱力學第一定律，碰撞前後的動量和必須相等。

動量的方向不可忽略，因為向量和在n維空間（n>1）中是一個大數值。向量平方在能量守恆定律中視作標量。因此請注意，以下算式中速度與碰撞方向相同（相切），而不是相交。

在二維或多維空間中必須將碰撞依據碰撞角拆開分析。

非彈性碰撞

在「非彈性碰撞」中一部分動能轉化為內能(U)。當物體在碰撞時發生變形或發熱時，碰撞稱為「非彈性的」。

每次彈跳都是一個非彈性碰撞

非彈性碰撞滿足動量守恆，但不滿足機械能守恆（部分轉換為內能）。

完全非彈性碰撞

在完全非彈性碰撞中，碰撞後完全不反彈，儘可能多的動能部分轉化為內能，則在這種碰撞系統中動能損失最大。因此兩個物質在碰撞後「粘」在一起並按照相同的速度繼續飛行。例如兩個橡皮泥球在碰撞後互粘在一起並按同一速度繼續移動。

超彈性碰撞

在超彈性碰撞中內能轉換超過最少中一個碰撞物的動能。其動能在此次碰撞後大於其碰撞前的動能。數學表達同總述的非彈性碰撞，為U < 0.

按碰撞角度

正碰（direct impact )

一個運動的球與一個靜止的球碰撞，碰撞之前球的運動速度與兩球心的連線在同一條直線上，碰撞之後兩球的速度仍會沿着這條直線。這種碰撞稱為正碰，也叫對心碰撞。

斜碰（oblique impact)

一個運動的球與一個靜止的球碰撞，如果碰撞之前球的運動速度與兩球心的連線不在同一條直線上，碰撞之後兩球的速度都會偏離原來兩球心的連線。這種碰撞稱為斜碰，也叫非對心碰撞。

物體對障礙物的碰撞

一物體對某固定物體如地面、牆的碰撞屬此類型，也可分為正碰撞和斜碰撞。

物體對可轉動物體的碰撞

當物體甲與可繞O軸轉動的物體乙發生碰撞時，物體乙突然獲得一角速度變化（圖4）。一般在乙的支承O處也立刻產生一碰撞反力，其大小跟碰撞作用的位置，即距離OO1有關。但在特殊條件下，懸掛物體雖受衝擊力，其約束力仍可為零。

其他碰撞

散射

在粒子物理，原子物理或者當一個光子作為碰撞物之一時，碰撞也稱為散射，散逸或漫射。當一個粒子在碰撞中向另一個能級躍遷時，也稱作非彈性碰撞（非彈性散射）。當多數光子參與一個非彈性散射時會改變其總波長。相關請參閱散射和散射原理。

反應碰撞

反應碰撞來自反應，如化學反應或通過高能粒子在量子物理學中的碰撞產生新的粒子。在此必須注意，碰撞前後不同的粒子提供了能量和動量。在碰撞過程中速度變化的同時也存在粒子質量和數量的變化。

反應碰撞的一種類型如「電負性交換」：一個原子，分子或離子，一個或多個電子交換的原子物理學過程。很可能在此過程中一個電子給其中一個碰撞物帶上正電性。如太陽風中的正電子（參見高能離子）通過彗星周圍的氣層時被捕獲並發出x射線。

碰撞應用

用碰撞時產生的巨大碰撞力來產生巨大瞬時力，如各種衝壓機、打樁機、炮彈穿甲等。相反地，有時要 避免巨大碰撞力的危害，採用各種緩衝裝置，如彈性體或液壓緩衝器，以延長碰撞時間，從而減小碰撞力。

碰撞已成為現代工程技術中一個重要的力學問題。巨大的碰撞力和連續作用的碰撞，對材料的強度和疲勞有很大影響。此外，儀表、裝置和設備應保證在其載體受到碰撞和衝擊載荷時，能夠正常工作，不致鬆動、失靈和損壞。