问题

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?

回答
当然,这颗球最终会停下来。我们可以从物理学的角度来详细解释一下。

首先,我们来看球下落到地面时的动能。在自由落体运动中,物体下落的高度越高,其重力势能就越大。当它接触地面时,这部分重力势能就转化为了动能。我们假设球的质量是 $m$(虽然我们不需要知道具体数值,但为了概念清晰),初始高度是 $h_0 = 1$ 米。

根据能量守恒定律,在没有空气阻力的情况下,球下落到地面时获得的动能(也就是它撞击地面的速度所对应的动能)等于它下降过程中损失的重力势能。这个动能可以表示为 $frac{1}{2}mv_0^2$,其中 $v_0$ 是球第一次接触地面时的速度。而重力势能的损失等于 $mgh_0$,其中 $g$ 是重力加速度(大约是 $9.8 ext{ m/s}^2$)。

所以,第一次撞击地面时的动能 $E_0 = mgh_0 = mg imes 1$ 焦耳。

接下来是反弹。题目中说“每次反弹损失一半能量”。这里的“能量”指的是球在反弹过程中所拥有的动能。也就是说,球第一次弹起时所获得的动能,是它第一次撞击地面时动能的一半。

第一次反弹后上升的高度 ($h_1$):
球第一次反弹时获得的动能是 $E_1 = frac{1}{2}E_0 = frac{1}{2}mgh_0$。
当球以这个动能向上弹起时,它会继续向上运动,直到它的动能全部转化为重力势能。那么它能达到的最大高度 $h_1$ 可以通过 $mgh_1 = E_1$ 来计算。
所以,$mgh_1 = frac{1}{2}mgh_0$。
约去 $mg$,我们得到 $h_1 = frac{1}{2}h_0 = frac{1}{2} imes 1$ 米 $= 0.5$ 米。

第二次反弹后上升的高度 ($h_2$):
球第二次下落到地面时,其动能就是它第一次反弹后上升到最高点时所具有的重力势能,即 $E_1$。
第二次撞击地面时,它又会损失一半的能量。所以,第二次反弹后获得的动能是 $E_2 = frac{1}{2}E_1 = frac{1}{2} imes (frac{1}{2}E_0) = (frac{1}{2})^2 E_0$。
同理,第二次反弹后能达到的最大高度 $h_2$ 满足 $mgh_2 = E_2$。
所以,$mgh_2 = (frac{1}{2})^2 mgh_0$。
约去 $mg$,我们得到 $h_2 = (frac{1}{2})^2 h_0 = frac{1}{4} imes 1$ 米 $= 0.25$ 米。

我们可以看到一个规律:每次反弹后,球能达到的高度是前一次反弹高度的一半。
所以,第三次反弹后上升的高度是 $h_3 = frac{1}{2}h_2 = (frac{1}{2})^3 h_0 = frac{1}{8}$ 米。
第四次反弹后上升的高度是 $h_4 = (frac{1}{2})^4 h_0 = frac{1}{16}$ 米。
依此类推,第 $n$ 次反弹后上升的高度是 $h_n = (frac{1}{2})^n h_0$。

既然每次反弹后,球能达到的高度都在不断减小,并且是按比例减小的,那么这个高度最终会趋近于零。
当球上升的高度趋近于零时,它的速度也必然趋近于零。当速度为零时,它就停止运动了。

从数学上来说,我们是在计算一个无穷级数:
第一次下落的高度:$h_0 = 1$
第一次反弹后上升高度:$h_1 = frac{1}{2}h_0$
第二次反弹后上升高度:$h_2 = frac{1}{2}h_1 = (frac{1}{2})^2 h_0$
第三次反弹后上升高度:$h_3 = frac{1}{2}h_2 = (frac{1}{2})^3 h_0$
……
第 $n$ 次反弹后上升高度:$h_n = (frac{1}{2})^n h_0$

虽然理论上这个过程会发生无穷多次,但每次弹起的最高高度都在以一个固定的比例(1/2)衰减。这个过程可以被看作是一个等比数列的求和(虽然我们关注的不是总高度,而是每次弹起的高度会趋于零)。

更重要的是,我们可以考虑它每次弹跳所花费的时间。每次下落和上升的过程都可以看作是自由落体运动。一个物体从高度 $h$ 自由下落到地面的时间是 $t = sqrt{frac{2h}{g}}$。
那么,第一次下落的时间是 $t_0 = sqrt{frac{2h_0}{g}}$。
第一次反弹后上升到最高点再下落到地面的总时间是 $2 imes sqrt{frac{2h_1}{g}}$,因为上升和下落的时间相等。
第二次反弹后上升到最高点再下落到地面的总时间是 $2 imes sqrt{frac{2h_2}{g}}$。
依此类推,第 $n$ 次反弹后上升到最高点再下落到地面的总时间是 $2 imes sqrt{frac{2h_n}{g}}$。

将 $h_n = (frac{1}{2})^n h_0$ 代入:
第 $n$ 次循环的时间是 $2 imes sqrt{frac{2(frac{1}{2})^n h_0}{g}} = 2 imes (frac{1}{2})^{n/2} sqrt{frac{2h_0}{g}} = 2 imes (frac{1}{sqrt{2}})^n t_0$。

我们将所有这些时间加起来:
总时间 $T = t_0 + 2sqrt{frac{2h_1}{g}} + 2sqrt{frac{2h_2}{g}} + dots$
$T = t_0 + 2(frac{1}{sqrt{2}})t_0 + 2(frac{1}{sqrt{2}})^2 t_0 + 2(frac{1}{sqrt{2}})^3 t_0 + dots$
忽略第一个下落时间 $t_0$(更严谨的计算应该包含在内,但这里的比例关系更清晰),我们看到这是一个几何级数的部分求和,其公比是 $2/sqrt{2} = sqrt{2}$ (这里计算有误,应该是 $2 imes (frac{1}{sqrt{2}})^n$ 的形式)。

让我们重新审视时间。
第一次下落时间 $t_0 = sqrt{frac{2h_0}{g}}$
第一次反弹后上升和下落的总时间 $t'_1 = 2 sqrt{frac{2h_1}{g}} = 2 sqrt{frac{2(frac{1}{2})h_0}{g}} = 2 (frac{1}{sqrt{2}}) sqrt{frac{2h_0}{g}} = sqrt{2} t_0$
第二次反弹后上升和下落的总时间 $t'_2 = 2 sqrt{frac{2h_2}{g}} = 2 sqrt{frac{2(frac{1}{4})h_0}{g}} = 2 (frac{1}{2}) sqrt{frac{2h_0}{g}} = t_0$
第三次反弹后上升和下落的总时间 $t'_3 = 2 sqrt{frac{2h_3}{g}} = 2 sqrt{frac{2(frac{1}{8})h_0}{g}} = 2 (frac{1}{sqrt{8}}) sqrt{frac{2h_0}{g}} = frac{1}{sqrt{2}} t_0$

我们发现这里的规律有点复杂,但关键是每次弹跳的高度越来越小,这意味着每次弹跳所持续的时间也会越来越短。虽然每次弹跳高度的比例是固定的,但时间上的衰减速度并不像高度那样直接是 $1/2$。

不过,从能量的角度来看,每次弹跳损失的能量也是以一个固定的比例(1/2)在减少。虽然能量会不断减少,但只要还有能量,球就会继续弹跳。然而,这个减少的过程是指数级的。

关键点在于:球能达到的高度不断减小,并且最终趋近于零。当上升高度趋于零时,其速度也趋于零,它就必然会停下来。虽然在理论模型中,这个过程可能是一个无限的过程(即永远不会绝对达到零,只是无限趋近),但在现实世界中,即使是极小的能量也会被克服,或者说,物理定律在这个宏观层面上是成立的。

所以,是的,它最终会停下来。这就像一个在持续衰减的振动,虽然理论上可以无限振动下去,但能量的损失会使其振幅逐渐减小,直至静止。在这个例子中,能量损失直接体现在了反弹高度的减小上。

网友意见

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我想可能乍一看会有一种误解:小球每次反弹速率(或者说能量)都不为0,那么必然要无限次反弹之后才能停下,因此这个小球就永远停不下来。

这是一个典型的芝诺悖论问题,大致就是小树和强强赛跑,强强先跑10m,小树跑的比强强快。那么按照常识小树肯定会追上强强对吧。但是如果拆分开来一次次的看呢?

当小树跑到10m的时候,强强可能已经在11m了;然后小树跑到11m的时候强强已经在11.1m了......以此类推,小树永远都追不上强强。

诶?这是个啥情况啊。

我们以这个题来考量:

假设小球下落初始高度为 ,势能为mgh,初次撞击前速率为 ,耗时

根据题设条件每次撞击损失一半能量即速度降为 ,那么显然高度也会降低到

根据动量定理或者匀加速运动公式可知再次碰撞的时间为 ,也就是撞击间隔以 的速率等比递减

如果我们从第一次碰撞之后开始计时,那么运动总时间:

根据等比数列的求和公式:初次碰撞之后 也就是大概2.18s就会停止。如果是从开始下落计时则需要2.63s。

这个问题的悖论在于,需要无限次碰撞,但是碰撞间隔在缩短,所以无限次碰撞所用的时间不是无限长。上个图,就是这样......

如果我们定义上次碰撞到本次碰撞之间的间隔为碰撞周期的话,那么碰撞频率实际上是以指数规律迅速增大的:

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