Zderzenie ciał – definicja. Rodzaje zderzeń

Liczne przykłady z życia codziennego, takie jak wbijanie gwoździ, czy kopanie piłki podczas meczu piłki nożnej sugerują nam, że zderzenia ciał występują tylko wtedy, gdy istnieje bezpośredni kontakt pomiędzy nimi. Stwierdzenie to jest wprawdzie słuszne, ale tylko częściowo, ponieważ, jak się za chwilę przekonasz, nie oddaje ono w pełni charakteru tego zjawiska. Zderzenie ciał nie musi bowiem oznaczać procesu ich zetknięcia się, a siły, będące bezpośrednim przejawem oddziaływania ciał, nie muszą być związane z sytuacją, w której dwa lub więcej ciał stykają się wzajemnie.

Zderzenie ciał – definicja

Zgodnie z powyższą definicją pod pojęciem zderzenia ciał rozumiemy zarówno zdarzenia, w których przedmioty mają bezpośredni kontakt między sobą (przykłady przedstawiono we wstępie artykułu), jak i sytuacje, podczas trwania których oddziaływanie pomiędzy ciałami przenoszone jest na odległość za pośrednictwem sił. Przykładem tej drugiej grupy zderzeń jest np. wzajemne odpychanie się dwóch jednoimiennie naładowanych cząstek (np. dwóch elektronów), czy też tzw. zjawisko asysty grawitacyjnej tj. zdarzenia, podczas trwania którego sonda kosmiczna okrąża masywną planetę celem zwiększenia swojej prędkości ruchu.

Zderzenia ciał – „cenne narzędzie w rękach fizyka”

Analiza zderzeń małych i dużych obiektów dostarcza fizykom wiele cennych informacji na temat właściwości zderzających się ciał oraz sił działających na ciała podczas procesu zderzenia. Nie bez znaczenia pozostaje fakt, że praktycznie cała nasza wiedza o świecie cząstek (elektronów, protonów itp.) pochodzi właśnie z doświadczeń zderzeniowych. W ramach działu Mechaniki klasycznej, którego częścią jest ten artykuł, skupimy się tylko i wyłącznie na zderzeniach ciał makroskopowych tj. ciał składających się z bardzo dużej liczby tworzących je cząstek (np. piłka, samochód). Nasze rozważania zawęzimy do zderzeń odbywających się w układach izolowanych tj. układach, których całkowita masa pozostaje stała w czasie, a wypadkowa sił zewnętrznych działających na układ ciał jest równa zero.

Rodzaje zderzeń

Zderzeniami ciał rządzą dwie reguły: zasada zachowania energii i zasada zachowania pędu. Podczas zderzenia dwóch lub więcej ciał zmianie ulega ich energia kinetyczna oraz pęd. Zachowanie, bądź nie, tych dwóch wielkości fizycznych przed i po zderzeniu stanowi kryterium podziału zderzeń na dwie grupy: zderzenia sprężyste i zderzenia niesprężyste.

Zderzenie sprężyste

Zderzenie sprężyste – zderzenie, w którym całkowita energia kinetyczna i całkowity pęd układu ciał są zachowane. Zmianie prędkości kulek (rysunek a i b) towarzyszy zmiana wartości ich energii kinetycznej i pędu, przy czym całkowita wartość energii kinetycznej i pędu kulek jest taka sama przed i po zderzeniu.

Zderzenie niesprężyste

Zderzenie niesprężyste – zderzenie, w którym całkowita energia kinetyczna układu ciał nie jest zachowana, a całkowity pęd układu jest zachowany. Innymi słowy: całkowita wartość pędu jest taka sama przed i po zderzeniu, a całkowita wartość energii kinetycznej przyjmuje różną wartość przed i po zderzeniu. Podczas zderzenia niesprężystego pewna część energii kinetycznej kulek ulega przekształceniu w inne formy energii, w związku z czym prędkości kulek $\vec{V}^{’}_{1}$  i  $\vec{V}^{’}_{2}$  zderzających się niesprężyście przyjmują mniejsze wartości niż prędkości kulek $\vec{V}^{’}_{1}$  i  $\vec{V}^{’}_{2}$  zderzających się sprężyście (porównaj długość strzałek przy obydwu kulkach na rysunkach b i d).

Szczególnym przypadkiem zderzenia niesprężystego jest zderzenie doskonale niesprężyste tj. zderzenie, po którym ciała zderzające się przylegają do siebie i tracą większą część lub całość posiadanej energii kinetycznej. Przykładem tego rodzaju zderzenia jest upadek plasteliny lub ciasta na podłogę.

Zderzenia, z którymi mamy do czynienia w życiu codziennym są zderzeniami niesprężystymi. Energia kinetyczna ciał zderzających się niesprężyście ulega częściowej lub całkowitej zamianie na inne formy energii np. energię termiczną (wzrost temperatury zderzających się ciał), energię akustyczną (np. huk występujący podczas zderzenia samochodów), czy też energię zużywaną na deformację (zniekształcenie) ciał biorących udział w zderzeniu (np. zgniecenie nadwozia samochodu).