牛頓擺，1960年代發明的桌面演示裝置

牛頓擺是一個1960年代發明的桌面演示裝置，五個質量相同的球體由吊繩固定，彼此緊密排列。又叫:牛頓擺球、動量守恆擺球、永動球、物理撞球、碰碰球等。牛頓擺是由法國物理學家伊丹·馬略特(Edme Mariotte)最早於1676年提出的。當擺動最右側的球並在回擺時碰撞緊密排列的另外四個球，最左邊的球將被彈出，並僅有最左邊的球被彈出。

動量守恆定律表明在一個封閉系統中，給定方向的動量是恆定的。動量表示為:p=mv (p代表動量，m代表質量，v代表給定方向的速度)當小球甲撞擊小球乙，它以特定的方向運動，例如從東向西運動。那意味著，它的動量(動量是矢量)也以從東向西的方向運動。任何小球運動方向上的改變將導致動量的改變，這隻有在受到外力作用的情況下才能實現。那就是為什麼小球甲不是簡單地被小球乙彈開--它的動量將能量以從東向西的方向傳遞過所有的球。實際上，牛頓擺並不是一個封閉系統，金屬球仍然受到重力的作用，會使小球彈開的速度減緩，直至停止(此時動量不守恆)。當最後一個球無法繼續傳遞動量與能量，它就被彈開。當它運動到最高點時，它只蘊含勢能，而動能減少到零，重力使它向下運動，循環再次開始。

當兩個金屬球碰撞時，彈性碰撞就會發生。在碰撞前後，所具有的動能不變。在理想狀況下，即球只受到動量、能量與重力作用，所有的碰撞都是完美的彈性碰撞而牛頓擺的結構也是完美的，金屬球將永遠運動下去。但不可能存在完美的牛頓擺，因為其總會受到摩擦力的作用而使能量損耗。一部分摩擦力來自空氣阻力，而主要的來自小球本身。所以牛頓擺中的碰撞並不是真正的彈性碰撞而是非彈性碰撞，因為碰撞後的動能比碰撞前的有所損失(摩擦力所致)。但根據能量守恆定律，總能量保持不變。由於球的形變，組成球的分子間將動能轉化為熱能。小球發生振動，同時產生了牛頓擺標誌性的清脆的碰撞聲。

假定各金屬球是具有相同質量的質點。當一個質點撞擊第二個質點，第一個質點的動量與能量立即轉移到第二個上，如此進行下去，直到最後一個質點獲得了動量與能量後彈出。即使兩個或更多質點撞擊球組，情況依然相同。但是，瞬間運動則需要無窮大的加速度並且質點質量為零。當一個運動著的球撞擊靜止的球，壓縮波將在兩個球中傳遞。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！