非弾性衝突・とは？中学生にも分かる衝突の基本と身近な例共起語・同意語・対義語も併せて解説！

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岡田康介

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非弾性衝突・とは？

衝突には大きく分けて2つのタイプがあります。弾性衝突と非弾性衝突です。非弾性衝突とは、衝突後に一部の運動エネルギーが熱や音、物体の変形などに変わってしまい、総運動エネルギーが保存されない現象を指します。しかし、運動量は系全体で保存される性質を持ちます。

まずは用語の整理から。運動量は物体の質量と速度の積で、衝突の前後で合計が同じになることが原理として成り立ちます。これを「運動量保存の法則」と呼びます。非弾性という言葉は「エネルギーの一部が別の形に変わる」という意味です。

完全にくっつく完全非弾性と部分的な非弾性

完全非弾性とは、衝突後に物体がくっついて1つのかたまりとして動くケースです。これを「完全非弾性衝突」とも呼び、衝突後の速度は v_common = (m1*u1 + m2*u2) / (m1 + m2) で決まります。

実際には完全にくっつくケースは珍しく、部分的に非弾性の衝突が多いです。物体は変形してエネルギーを熱や音として失いますが、形を保ちつつ分かれて動くこともあります。

1次元の簡単な例

ここで、1次元の簡単な例で考えてみましょう。質量 m1 = 2 kg の物体が初速 u1 = 3 m/s で右へ、質量 m2 = 1 kg の物体は初速 u2 = 0 m/s です。衝突後、2つの物体がくっつく「完全非弾性衝突」を仮定します。

衝突前の総運動量は p_before = m1*u1 + m2*u2 = 2×3 + 1×0 = 6 kg·m/s です。

衝突後の共通速度は v_common = p_before / (m1 + m2) = 6 / (2 + 1) = 2 m/s です。くっついた後の運動量は (m1+m2)×v_common = 3×2 = 6 となり、運動量は保存されています。

エネルギーの変化を見てみましょう。衝突前の運動エネルギーは KE_before = 0.5×m1×u1^2 = 0.5×2×9 = 9 J です。衝突後の運動エネルギーは KE_after = 0.5×(m1+m2)×v_common^2 = 0.5×3×4 = 6 J となり、3 Jが熱や変形などに消えています。これは非弾性の典型です。

このように、衝突後の動きには2つのパターンがあります。衝突後に2つの物体が同じ速度になる「完全非弾性衝突」か、衝突後も別々の速度で動く「部分的非弾性衝突」です。いずれの場合も、運動量は保存されるという点が重要です。

実生活での例と注意点

実生活では、車の衝突や粘土の球が壁にぶつかるケースなどが非弾性の代表例です。車の衝突では、金属の変形や衝撃による熱、摩耗が運動エネルギーの一部を奪います。スポーツの接触でも、衝突後の選手の動き方はエネルギーが熱や音、体の変形として消費されることで変わります。

弾性衝突との違いを理解する

弾性衝突と非弾性衝突の大きな違いは、運動エネルギーが保存されるかどうかです。弾性衝突では運動エネルギーも保存され、衝突前後の総エネルギーが同じになります。一方、非弾性衝突ではエネルギーの一部が熱や音、変形などに変わり、総運動エネルギーは減少します。実際の衝突は多くの場合、完全な弾性でも完全な非弾性でもなく、部分的非弾性に近いのが一般的です。

表で見る弾性と非弾性の違い

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まとめ

非弾性衝突とは、衝突後に一部のエネルギーが熱や音、変形に変わり、総運動エネルギーが減る現象です。運動量は保存されることが多く、衝突後の速度の関係は「共通の速度に収束する」場合や「分かれて異なる速度になる」場合など、状況によって異なります。中学生にも理解できるように覚えておきたいポイントは、衝突前と衝突後の総運動量は変わらず、エネルギーの一部が他の形に変わるということです。

非弾性衝突の同意語

完全非弾性衝突: 衝突後、2物体が一体となって同じ速度で動く状態を指す。運動エネルギーの大半が内部エネルギーや変形エネルギーへ変換され、弾性エネルギーはほとんど回復しない（理論上 e = 0）。
粘着衝突: 衝突後、2物体が粘着して一体となり、同一の速度で運動する状態を指す表現。完全非弾性衝突の典型的な言い方。
完全粘着衝突: 衝突後、2物体が完全にひとつの物体として運動するケース。e = 0 の完全非弾性衝突の特別な表現。
非完全弾性衝突: 衝突によって運動エネルギーの一部が失われるが、衝突後も別々に動く場合がある。
部分的非弾性衝突: 衝突の一部でエネルギーが失われるが、全体としては完全非弾性には至らず、部分的に非弾性の要素がある状態を指す表現。
低弾性衝突: 弾性の度合いが低い衝突で、運動エネルギーの損失が大きいが、必ずしも物体が一体化するとは限らない。

非弾性衝突の対義語・反対語

弾性衝突: 衝突後も運動エネルギーが保存され、形の変形が最小限で、衝突前後の運動エネルギーの総和が維持される衝突のこと。実験的には粘性や内部エネルギーへの損失がほぼゼロに近い理論モデルです。
完全弾性衝突: 衝突前後で運動エネルギーが完全に保存されるとされる理想的な弾性衝突。摩擦や内部エネルギーへの変換が一切ないと仮定します。
理想的弾性衝突: 理論上の最も純粋な弾性衝突。エネルギーの損失がないと考えるモデルで、計算や理解の基準になります。
近似的弾性衝突: 現実にはわずかなエネルギー損失があるものの、弾性衝突に極めて近い状態。実務では近似として用いられる表現です。