РУҚА
Задания № 21, 22 · ЕГЭ

Столкновение трёх тел

Как последовательно применять закон сохранения импульса и учитывать превращение механической энергии во внутреннюю
6 мин чтенияСложность: Обновлено 27 сентября 2026

Столкновение трёх тел удобно решать как цепочку простых столкновений или как одну задачу для замкнутой системы. Главные инструменты — закон сохранения импульса, условия последовательности ударов и связь потери механической энергии с количеством теплоты.

Модель столкновения и основные величины

Столкновением называют кратковременное взаимодействие тел, при котором силы взаимодействия очень велики, а внешним импульсом за время удара можно пренебречь. Поэтому для системы сталкивающихся тел сохраняется полный импульс. Перед решением выберите положительное направление оси и все скорости запишите со знаками: движение против оси имеет отрицательную скорость.

D
Импульс тела

Импульс тела — векторная величина \(\vec p=m\vec v\). Импульс системы равен векторной сумме импульсов всех тел: \(\vec P=\sum m_i\vec v_i\).

T
Закон сохранения импульса при столкновении

Если внешним импульсом сил за время удара можно пренебречь, то полный импульс до столкновения равен полному импульсу после него: \(\sum m_i\vec v_{i\,\text{до}}=\sum m_i\vec v_{i\,\text{после}}\).

\(m\)
масса
кг
\(v\)
скорость
м/с
\(p\)
импульс
кг·м/с
\(E\)
энергия
Дж
\(Q\)
количество теплоты
Дж

Для движения вдоль одной прямой векторное равенство превращается в алгебраическое. Например, если тела массами \(m_1\), \(m_2\) и \(m_3\) имеют скорости \(v_1\), \(v_2\), \(v_3\), то до столкновения \(P=m_1v_1+m_2v_2+m_3v_3\).

\[m_1v_1+m_2v_2+m_3v_3=m_1u_1+m_2u_2+m_3u_3\]1

Последовательные столкновения

Последовательное столкновение происходит, когда сначала встречаются два тела, а затем результат этого удара участвует в следующем. Нельзя использовать скорости из исходного условия на всех этапах: после первого удара нужно найти новые скорости и только затем рассматривать второе столкновение.

  1. Нарисуйте ось и укажите начальные скорости всех тел.
  2. Запишите закон сохранения импульса для первого столкновения.
  3. Если удар неупругий, используйте общую скорость слипшихся тел или условие, данное в задаче.
  4. Получите скорости после первого этапа и подставьте их в уравнение второго столкновения.
  5. Проверьте знаки скоростей и единицы измерения.
T
Полностью неупругое столкновение

Если два тела после удара движутся вместе с одной скоростью \(u\), то \(m_1v_1+m_2v_2=(m_1+m_2)u\).

\[u=\frac{m_1v_1+m_2v_2}{m_1+m_2}\]

Для трёх тел, последовательно слипающихся попарно, сначала объединяют первые два тела, затем рассматривают их как одно тело массой \(m_1+m_2\). Такой приём работает только тогда, когда столкновение действительно завершилось до начала следующего.

m₁m₂v₁v₂
Два тела движутся вдоль одной оси; стрелки показывают положительное направление скоростей.

Одновременное столкновение трёх тел

Если три тела взаимодействуют в один и тот же короткий промежуток времени, нельзя автоматически разбивать процесс на два удара. Записывают один закон сохранения импульса для всей системы. Дополнительное уравнение зависит от характера столкновения: например, тела могут после удара иметь общую скорость, или известен коэффициент восстановления.

D
Одновременное столкновение

Одновременным считают столкновение, при котором нельзя выделить отдельные этапы с промежутком времени между ними. В этом случае рассматривают систему из всех трёх тел сразу.

При полном слипании трёх тел конечная скорость определяется непосредственно:

\[u=\frac{m_1v_1+m_2v_2+m_3v_3}{m_1+m_2+m_3}\]

Если столкновение упругое, одного закона сохранения импульса недостаточно: нужно добавить закон сохранения кинетической энергии. В задачах с двумя последовательными ударами иногда удобнее применять коэффициент восстановления и скорости, связывающий относительные скорости тел до и после удара.

Микро-проверка

Тележка массой \(2\ кг\) движется со скоростью \(3\ м/с\) и слипается с неподвижной тележкой массой $1\ кг. Какова их общая скорость?

Потеря энергии и количество теплоты

Импульс сохраняется и при неупругом ударе, но кинетическая энергия обычно уменьшается. Разность начальной и конечной кинетических энергий переходит во внутреннюю энергию тел: деформацию, нагрев, звук. Подробнее о таком превращении см. внутренняя энергия при неупругом соударении.

T
Количество теплоты при неупругом столкновении

Если после столкновения тела движутся с общей скоростью \(u\), количество энергии, перешедшей во внутреннюю энергию, равно потере кинетической энергии системы.

\[Q=E_{k\,\text{до}}-E_{k\,\text{после}}=\frac{m_1v_1^2}{2}+\frac{m_2v_2^2}{2}-\frac{(m_1+m_2)u^2}{2}\]
\[Q=\frac{m_1m_2}{2(m_1+m_2)}(v_1-v_2)^2\]

Последняя формула особенно удобна для двух слипшихся тел. Она показывает: количество теплоты не зависит от скорости выбранной системы отсчёта, а определяется относительной скоростью тел. Для трёх тел сначала находят начальную и конечную кинетические энергии всей системы, а затем используют \(Q=E_{k\,\text{до}}-E_{k\,\text{после}}\).

Разобранный пример: два последовательных удара

№
Условие

Тележка массой \(m_1=1\ кг\) движется вправо со скоростью \(v_1=6\ м/с\) и сталкивается с неподвижной тележкой массой \(m_2=2\ кг\). После слипания они сталкиваются с неподвижной тележкой массой \(m_3=3\ кг\) и также слипаются. Найдите конечную скорость системы и количество теплоты, выделившееся при обоих ударах.

1
После первого полностью неупругого удара сохраняется импульс двух тел:
\(\displaystyle m_1v_1+m_2\cdot0=(m_1+m_2)u_1\)
2
Находим скорость первого блока:
\(\displaystyle u_1=\frac{1\cdot6}{1+2}=2\ \text{м/с}\)
3
Во втором ударе блок массой \(m_1+m_2\) сталкивается с неподвижным телом \(m_3\):
\(\displaystyle (m_1+m_2)u_1+m_3\cdot0=(m_1+m_2+m_3)u\)
4
Конечная скорость системы:
\(\displaystyle u=\frac{3\cdot2}{6}=1\ \text{м/с}\)
5
Начальная кинетическая энергия всей системы:
\(\displaystyle E_{k0}=\frac{1\cdot6^2}{2}=18\ \text{Дж}\)
6
Конечная кинетическая энергия:
\(\displaystyle E_{k\,\text{кон}}=\frac{6\cdot1^2}{2}=3\ \text{Дж}\)
7
Полная энергия, перешедшая во внутреннюю:
\(\displaystyle Q=18-3=15\ \text{Дж}\)

Можно проверить результат по импульсу всей системы: до столкновений \(P=1\cdot6=6\ кг\cdotм/с\), после \(P=6\cdot1=6\ кг\cdotм/с\). Для двух этапов количество теплоты можно также сложить: \(Q=Q_1+Q_2\).

Алгоритм и частые ошибки

  • Определить, столкновения последовательные или одновременные.
  • Выбрать ось и расставить знаки скоростей.
  • Записать закон сохранения импульса для нужной системы.
  • Для каждого неупругого этапа отдельно найти потерю кинетической энергии.
  • Округлить ответ только в самом конце.
!
Частые ошибки

1. Сохраняют кинетическую энергию при слипании тел. 2. Складывают модули импульсов, не учитывая направления. 3. Для второго удара используют исходную скорость первого тела вместо скорости блока после первого удара. 4. Подставляют в формулу \(Q\) конечную энергию только одного тела, забывая остальные. 5. Путают количество теплоты \(Q\) с работой внешней силы: в задаче о замкнутой системе \(Q\) — это уменьшение суммарной кинетической энергии.

Приём проверки

Если все тела после удара слиплись, конечная скорость должна лежать между наименьшей и наибольшей начальными скоростями. Если одно тело было неподвижно, модуль конечной скорости обычно меньше скорости движущегося тела.

Q
Быстрый тест по теме

Проверь себя

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · импульс
Что сохраняется при неупругом столкновении замкнутой системы?
Главное за минуту

Главное

  • При ударе замкнутой системы сохраняется полный импульс, а скорости нужно записывать со знаками.
  • Последовательные столкновения решают по этапам: результат первого удара становится начальным условием второго.
  • При одновременном столкновении рассматривают все три тела одной системой.
  • При полном слипании конечная скорость равна отношению полного импульса к суммарной массе.
  • Количество теплоты при неупругом столкновении равно уменьшению суммарной кинетической энергии: \(Q=E_{k\,\text{до}}-E_{k\,\text{после}}\).