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一个球从一米自由下落,假设没有空气阻力,每次反弹损失一半能量,最终它会停下来吗?

2020-05-21科学

大致估算,假设小球是弹性的,球刚好脱落地面时,其形变量的数量级大约是

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

其中E是弹性模量。

也就是说,当小球能量使其弹起高度大约在这个数量级的时候,小球向上弹起的能量已不足以使其脱离地面了。这时我们可以认为它停下来了。

当然,我们可以较真,说球这时并没有停下来,而是在原地做着振动,而振动以声波的形式在小球内部传递并衰减。

那么我们可以进一步考虑一个分子的尺度,大约在纳米级别。当小球的弹起高度到了这个级别,其能量已经完全被热噪声淹没了。此时它真的就彻底停下来了。容易估算大于小球可以弹起30次。

我们还可以在杠一下,小球的机械能就算是完全被热运动淹没了,它仍然在运动,所以它并没有停下来。说到底我们还有不确定原理呢……

……

然而上面这些估算都很扯淡,虽然扯淡我还是把它们写在这里,目的并不是真的来计算它能不能停下来,而是想反问, 实际过程中你如何定义「停下来」?

理想的纯数学模型和实际物理过程之间的差别就是如此。这个问题作为一个纯数学游戏,答案是弹跳无穷多次也停不下来(当然可以计算总的弹跳时间,应该是 2\left(1+\sqrt{2} \right)\sqrt{\frac{H_0}{g}} )。但是作为一个物理问题,我们可以这样说:

小球弹起10次后,for all practical purpose,小球已经停下来了。

最后讲一个笑话:

一个心理学家想研究数学家和物理学家的区别,做了这样一个实验。一个房间里有一张床,床上有一个美丽的裸女。他首先让数学家进入房间,规定他每分钟可以向裸女行进一半的距离。数学家非常恼怒,拒绝这个能看不能吃的游戏。随后他让一个物理学家来进行同样的游戏,物理学家愉快地吹一个口哨:「用不了几分钟,for all practical purpose 我已经上床了!」