竖直圆管 & 小球M=4m · f=4mg · 弹性碰撞 · 多次反弹

①碰后a球=3g↑  a管=2g↓ ②上升0.52H ③管长L ≥ 1.216H 永不滑出L ≥ 5H/3
实景 就绪
v–t 图 两线夹住的面积 = 球相对管下滑的距离
分析
时间 t = 0.000 √(H/g)
解答与推导(点开)

落地前:管与球同速

整体自由下落 H,无相对滑动,摩擦力不参与。

v₀ = √(2gH) ,方向 ↓

这一段是"背景",真正的物理从触地那一瞬开始。

① 碰后瞬间的加速度

碰撞时间极短 ⇒ 只有管被地面弹回,速度翻转为 v₀↑;球来不及受冲量,仍是 v₀↓。

于是球相对管向下滑 ⇒ 球受摩擦力 ↑、管受摩擦力 ↓(牛三)。

球: 4mg − mg = m·a球 → a球 = 3g ↑ 管: 4mg + 4mg = 4m·a管 → a管 = 2g ↓

注意 a管 = 2g > g:管在上升却比自由落体减速更快,因为摩擦力也朝下。

② 管上升的最大高度

管 +v₀ 以 2g 减速、球 −v₀ 以 3g 增速,两者先共速再一起做自由运动。

v₀ − 2g·t = −v₀ + 3g·t → t = 2v₀/(5g) v共 = 0.2 v₀ ↑ (仍向上)

共速前管上升 h₁ = (v₀² − v共²)/(2·2g),代入 v₀²=2gH、v共²=0.08gH:

h₁ = (2gH − 0.08gH)/(4g) = 0.48 H

共速后两者一起以 g 减速,再上升 h₂ = v共²/(2g) = 0.08gH/(2g) = 0.04 H。

H最大 = 0.48H + 0.04H = 0.52 H

③ 管长条件

每次碰撞后的相对滑动量:相对初速 2v、相对加速度 5g,滑到相对静止。

Δs = (2v)²/(2·5g) = 2v²/(5g)

第一次 v=v₀=√(2gH) ⇒ Δs₁ = 0.8 H。

落回地面时管的速度由 0.52H 决定 ⇒ v₂² = 2g(0.52H)·… 实际 v₂² = 1.04 gH,代入:

Δs₂ = 2(1.04gH)/(5g) = 0.416 H

球只单向累积、从不滑回 ⇒ 相加:

L ≥ 0.8H + 0.416H = 1.216 H

彩蛋:等比数列

每次碰撞后能量只剩 0.52 倍(0.52H / H),于是 vₙ² 成公比 0.52 的等比数列,Δsₙ 同比。

Σ Δs = 0.8H/(1−0.52) = 5H/3 ≈ 1.667 H

只要 L ≥ 5H/3,球永远不会滑出 —— 反弹无穷次,但总滑距收敛。

能量核对:管最终停在地面(降 H),球比管多降 Σ Δs,摩擦生热 4mg·ΣΔs = 20mgH/3, 正好等于两者下降的总重力做功,帐是平的(能量条面板可实时验证)。