Va chạm đàn hồi là va chạm mà sau đó các vật nảy ra và tổng động năng được giữ nguyên; va chạm không đàn hồi (va chạm mềm) là khi một phần động năng biến thành nhiệt, âm thanh, biến dạng. Trong cả hai loại, động lượng đều bảo toàn. Trường hợp cực đoan là va chạm mềm hoàn toàn: hai vật dính vào nhau và chuyển động cùng vận tốc. Đời thực, hầu hết va chạm nằm ở giữa hai cực này.
Hai loại va chạm, một bảng so sánh
| Đàn hồi | Không đàn hồi | Mềm hoàn toàn | |
|---|---|---|---|
| Động lượng | Bảo toàn | Bảo toàn | Bảo toàn |
| Động năng | Bảo toàn | Mất một phần | Mất nhiều nhất có thể |
| Sau va chạm | Hai vật tách ra | Tách ra, chậm hơn | Dính vào nhau |
| Ví dụ gần đúng | Bi thép va bi thép, bi-a, nguyên tử khí va nhau | Bóng đá nảy trên sân, ô tô va chạm nhẹ | Cục đất sét ném vào tường, hai toa tàu móc nối |
Động năng không "biến mất" trong va chạm mềm. Nó chuyển thành nhiệt (làm nóng vật một chút), âm thanh (tiếng "bộp"), và năng lượng làm biến dạng vĩnh viễn (vết móp). Tổng năng lượng vẫn bảo toàn, chỉ là không còn ở dạng chuyển động.
Hệ số phục hồi: đo độ "nảy"
Các kỹ sư và nhà vật lý dùng một con số gọi là hệ số phục hồi (ký hiệu e) để đo mức đàn hồi của va chạm. Nó bằng tỉ số giữa tốc độ hai vật rời xa nhau sau va chạm và tốc độ chúng lao vào nhau trước va chạm.
- e = 1: hoàn toàn đàn hồi.
- e = 0: mềm hoàn toàn, dính vào nhau.
- 0 < e < 1: hầu hết va chạm thực.
Với quả bóng thả rơi xuống sàn cứng, có một cách đo rất đơn giản: e bằng căn bậc hai của tỉ số độ cao nảy lên so với độ cao thả. Bóng thả từ 1 m nảy lên 64 cm thì e = √0,64 = 0,8.
Bóng thể thao được kiểm tra độ nảy
Các liên đoàn thể thao quy định độ nảy của bóng thi đấu, chính là quy định hệ số phục hồi.
| Bóng | Cách thử theo quy định | Kết quả yêu cầu |
|---|---|---|
| Bóng rổ (FIBA) | Thả từ độ cao 1.800 mm (tính từ đáy bóng) xuống sàn thi đấu | Nảy lên trong khoảng 1.200–1.400 mm (tính tới đỉnh bóng) |
| Bóng tennis (ITF) | Thả từ 254 cm (100 inch) xuống mặt bê tông | Nảy lên khoảng 135–147 cm (53–58 inch) |
| Bóng bàn (ITTF) | Thả từ 30,5 cm xuống tấm thép chuẩn | Nảy lên khoảng 24–26 cm |
Bóng tennis áp suất thường mất hơi dần sau khi mở hộp, nảy thấp đi — vì vậy ở các giải lớn, bóng được thay sau một số ván nhất định. Bóng rổ bơm thiếu hơi nảy thấp, khó dẫn bóng.
Những gì xảy ra khi hai vật bằng nhau va chạm
Đàn hồi, va trực diện
Một viên bi lao vào một viên bi giống hệt đang đứng yên, va chính diện. Kết quả: viên bi đầu dừng hẳn, viên bi thứ hai chạy đi với đúng vận tốc của viên đầu. Toàn bộ động lượng và động năng "chuyển giao" từ viên này sang viên kia. Đây là cú "bi dừng" (stop shot) mà người chơi bi-a quen thuộc, và cũng là nguyên lý của con lắc Newton.
Đàn hồi, va lệch
Nếu va lệch (không chính tâm), hai viên bi bằng nhau sẽ tách ra theo hai hướng vuông góc với nhau, tạo góc 90°. Điều này suy ra trực tiếp từ việc bảo toàn cả động lượng lẫn động năng. Người chơi bi-a dùng quy tắc 90° để đoán đường đi của bi cái sau khi chạm bi mục tiêu (khi bi cái không xoáy).
Mềm hoàn toàn
Hai toa tàu cùng khối lượng, một toa chạy 2 m/s đâm vào toa đứng yên, móc nối dính lại. Bảo toàn động lượng: cả hai cùng chạy 1 m/s. Động năng lúc đầu là ½·m·4 = 2m, lúc sau là ½·(2m)·1 = m. Một nửa động năng đã biến thành tiếng va, nhiệt và biến dạng của bộ móc nối.
Va chạm khác khối lượng
- Vật nhẹ đâm vào vật nặng đứng yên (quả bóng bàn vào quả bowling): vật nhẹ bật ngược lại gần như với vận tốc cũ, vật nặng chỉ nhích rất ít.
- Vật nặng đâm vào vật nhẹ đứng yên (bowling vào bóng bàn): vật nặng gần như không chậm lại, vật nhẹ bắn ra với vận tốc gần gấp đôi vật nặng.
Thí nghiệm vui: đặt một quả bóng tennis lên trên một quả bóng rổ, thả cả hai cùng lúc từ ngang ngực xuống sàn. Bóng rổ chạm sàn, nảy lên, va vào bóng tennis đang rơi xuống. Bóng tennis bắn vọt lên cao hơn nhiều so với độ cao thả — có thể gấp vài lần. Lý thuyết lý tưởng cho thấy với vật trên rất nhẹ so với vật dưới, nó có thể nảy lên tới chín lần độ cao ban đầu; thực tế thấp hơn vì va chạm không hoàn toàn đàn hồi. Nên làm ngoài trời, tránh xa đèn và cửa kính.
Va chạm trong giao thông: vì sao ô tô được thiết kế để "nát"
Người ta hay nghĩ xe cứng chắc là xe an toàn. Thực ra ô tô hiện đại được thiết kế có vùng biến dạng (crumple zone) ở đầu và đuôi xe, cố ý bị bẹp khi va chạm. Hai mục đích:
- Biến động năng thành công làm biến dạng kim loại, thay vì để nó truyền vào khoang hành khách.
- Kéo dài thời gian dừng: phần đầu xe bẹp dần trong vài phần mười giây, giảm lực tác dụng lên người.
Ý tưởng vùng biến dạng được kỹ sư Béla Barényi phát triển cho hãng Mercedes-Benz và được cấp bằng sáng chế đầu thập niên 1950. Trong khi đó, khoang hành khách phải cứng để giữ không gian sống. Một chiếc xe an toàn vừa "mềm" ở hai đầu vừa "cứng" ở giữa.
Góc nhìn hôm nay: đo độ nảy ở nhà
- Dán một thước dây lên tường.
- Thả các quả bóng khác nhau (bóng bàn, bóng tennis, bóng cao su, bóng nhựa) từ 1 m.
- Quay video chậm bằng điện thoại, đọc độ cao nảy lên.
- Tính e = căn bậc hai của (độ cao nảy / 1 m).
- Thử lại trên sàn gạch, sàn gỗ, thảm để thấy bề mặt cũng quyết định độ đàn hồi.
Câu hỏi thường gặp
Va chạm đàn hồi là gì?
Là va chạm mà sau đó các vật tách ra và tổng động năng được bảo toàn, không chuyển thành nhiệt hay biến dạng. Va chạm giữa hai viên bi thép cứng hay bi-a gần đúng là va chạm đàn hồi.
Va chạm mềm là gì?
Là va chạm mà sau đó hai vật dính vào nhau và chuyển động cùng vận tốc, như cục đất sét ném vào tường hay hai toa tàu móc nối. Động lượng vẫn bảo toàn nhưng một phần lớn động năng biến thành nhiệt và biến dạng.
Hệ số phục hồi là gì?
Là tỉ số giữa tốc độ hai vật rời xa nhau sau va chạm và tốc độ chúng tiến lại gần trước va chạm. Bằng 1 là hoàn toàn đàn hồi, bằng 0 là mềm hoàn toàn. Với bóng thả rơi, nó bằng căn bậc hai tỉ số độ cao nảy lên và độ cao thả.
Trong va chạm, động năng mất đi đâu?
Động năng không mất mà chuyển thành dạng khác: nhiệt làm vật nóng lên, âm thanh, và năng lượng làm biến dạng vĩnh viễn như vết móp. Tổng năng lượng vẫn bảo toàn.
Vì sao ô tô được thiết kế để bẹp khi va chạm?
Vùng biến dạng ở đầu và đuôi xe hấp thụ động năng và kéo dài thời gian dừng, nhờ đó giảm lực tác dụng lên người ngồi trong xe. Khoang hành khách thì được làm cứng để giữ không gian an toàn.