التصادم المرن: لماذا لا تتباطأ كرات السنوكر (تقريباً) أبداً

اضرب كرة سنوكر ساكنة ضربة مباشرة بالكرة البيضاء، ويحدث شيء غريب قليلاً: تتوقف الكرة البيضاء تقريباً تماماً في مسارها، والكرة التي ضربتها تنطلق بسرعة قريبة من سرعة الكرة البيضاء الأصلية. يبدو الأمر كما لو أن الكرة البيضاء أخفت حركتها الخاصة في الكرة الأخرى — لأنها، بمعنى حقيقي جداً، فعلت ذلك. ذلك التسليم هو ما يبدو عليه التصادم المرن عندما يكون للجسمين كتلة متساوية (تقريباً).

شيئان يجب أن يتوازنا، لا شيء واحد فقط

كل تصادم يحفظ الزخم — هذا صحيح سواء كان مرناً أو لا، دون استثناءات. ما يجعل التصادم مرناً تحديداً هو شرط ثانٍ وأكثر صرامة: تُحفَظ الطاقة الحركية أيضاً، لا تُحوَّل فقط إلى حرارة أو صوت أو تشوّه دائم. معظم التصادمات في العالم الحقيقي — حادث سيارة، بيضة سقطت، كرة من عجينة لاصقة اصطدمت بجدار — تحفظ الزخم لكنها تفقد الكثير من الطاقة الحركية إلى تلك الأشكال الأخرى. التصادم المرن هو الحالة الخاصة حيث لا يتسرب أي منها.

لماذا تقترب كرات السنوكر كثيراً منه

كرات السنوكر والبلياردو صلبة وجامدة، وتتشوّه بالكاد عند التلامس، وهو بالضبط الشرط الفيزيائي الذي يحتاجه التصادم المرن — الطاقة التي كانت ستُثني أو تُحدِث تجويفاً في المادة بدلاً من ذلك تبقى كطاقة حركية في حركة الكرات. هذه ليست مصادفة في تصميم اللعبة؛ إنها سبب صنع الكرات من راتنج صلب بدلاً من شيء أطرى. لعبة بكرات من طين أو عجين ستتصرف بشكل مختلف تماماً، لأن معظم الطاقة ستتلاشى في تشويه الكرة بدلاً من سرعتها بعد الاصطدام.

ماذا يحدث عندما لا تتساوى الكتل

التبادل النظيف للسرعة يحدث فقط لأن الكرة أ والكرة ب لهما كتلة متساوية (تقريباً). اضرب كرة أثقل ساكنة بكرة أخف، وتستمر كلتاهما في الحركة بعد ذلك — ترتد الكرة الأخف بسرعة مخفَّضة بدلاً من التوقف، وتتحرك الأثقل، لكن أبطأ مما كانت تتحرك الأخف. القاعدتان من قبل — الزخم محفوظ، الطاقة الحركية محفوظة — لا تزالان صحيحتين تماماً؛ إنهما فقط لم تعودا تسمحان بتسليم كامل، لأن جسماً أكبر يحتاج سرعة أقل لحمل الزخم نفسه، ومطابقة الشرطين معاً تفرض هذا الانقسام المحدد بدلاً من تبادل كامل.

التصادم المختبئ داخل كل قانون غاز

تُعامل النظرية الحركية جزيئات الغاز كأنها تتصادم باستمرار — مع بعضها البعض ومع جدران حاويتها — وتفترض أن كل واحد من تلك التصادمات مرن تماماً. هذا الافتراض الواحد هو ما يجعل ضغط الغاز ودرجة حرارته كميات مستقرة بدلاً من كميات تتلاشى بهدوء بمرور الوقت: لو فقدت جزيئات الغاز طاقة حركية عند كل تصادم بالطريقة التي تفعلها كرة سقطت، لكانت حاوية مغلقة من الغاز ستُبرِّد نفسها تدريجياً دون سبب خارجي، وهو ما لا يحدث. الفكرة نفسها التي تُفسِّر ضربة سنوكر تعمل بهدوء تحت قانون بويل وقانون تشارلز وكل قانون غاز آخر يُدرَّس في GCSE والمستوى المتقدم. إذا كان الزخم أو الطاقة الحركية أو قوانين الغازات تحتاج شرحاً بالآلية الفعلية بدلاً من صيغة للحفظ، فهذا بالضبط ما بُني حوله تدريسنا لفيزياء GCSE — انظر مسار التعلم الكامل هنا.