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一個球從一米自由下落,假設沒有空氣阻力,每次反彈損失一半能量,最終它會停下來嗎?

2020-05-21科學

大致估算,假設小球是彈性的,球剛好脫落地面時,其形變量的數量級大約是

\Delta L=\frac{\rho g}{E}

其中E是彈性模量。

也就是說,當小球能量使其彈起高度大約在這個數量級的時候,小球向上彈起的能量已不足以使其脫離地面了。這時我們可以認為它停下來了。

當然,我們可以較真,說球這時並沒有停下來,而是在原地做著振動,而振動以聲波的形式在小球內部傳遞並衰減。

那麽我們可以進一步考慮一個分子的尺度,大約在奈米級別。當小球的彈起高度到了這個級別,其能量已經完全被熱雜訊淹沒了。此時它真的就徹底停下來了。容易估算大於小球可以彈起30次。

我們還可以在杠一下,小球的機械能就算是完全被熱運動淹沒了,它仍然在運動,所以它並沒有停下來。說到底我們還有不確定原理呢……

……

然而上面這些估算都很扯淡,雖然扯淡我還是把它們寫在這裏,目的並不是真的來計算它能不能停下來,而是想反問, 實際過程中你如何定義「停下來」?

理想的純數學模型和實際物理過程之間的差別就是如此。這個問題作為一個純數學遊戲,答案是彈跳無窮多次也停不下來(當然可以計算總的彈跳時間,應該是 2\left(1+\sqrt{2} \right)\sqrt{\frac{H_0}{g}} )。但是作為一個物理問題,我們可以這樣說:

小球彈起10次後,for all practical purpose,小球已經停下來了。

最後講一個笑話:

一個心理學家想研究數學家和物理學家的區別,做了這樣一個實驗。一個房間裏有一張床,床上有一個美麗的裸女。他首先讓數學家進入房間,規定他每分鐘可以向裸女行進一半的距離。數學家非常惱怒,拒絕這個能看不能吃的遊戲。隨後他讓一個物理學家來進行同樣的遊戲,物理學家愉快地吹一個口哨:「用不了幾分鐘,for all practical purpose 我已經上床了!」