这个有趣的碰撞实验中,居然隐藏着圆周率的秘密

这个有趣的碰撞实验中,居然隐藏着圆周率的秘密

用两个小球做一个简单的实验,如上图所示。右边的球A,开始向左运动。左边的球B,一开始静止。碰撞之后,B也开始运动,接触到墙之后,就会反过来,向右运动。

如此反复,要碰撞多少次才会停止呢?

这就到了最有意思的地方来:

若A的质量是B的100倍,就需要31次碰撞;

若A的质量是B的10000倍,就需要314次碰撞;

若A的质量是B的1000000倍,就需要3141次碰撞;

若A的质量是B的100000000倍,就需要31415次碰撞;

……

看到了没有,这里出现了圆周率——圆周率的近似值是:3.1415,恰好与上面的数字相符。

那么,这里的圆周率从何而来呢?

物理学家理查德·费曼每次在公式中见到Pi时,,都常常问:「圆在哪里?」

对于这一个问题,我们也来看看,圆在哪里?

在这个问题中,有两个守恒量:能量与动量,而圆,就在能量守恒之中。

重要的事情重复一遍:圆,就在能量守恒之中!

两个小球的能量守恒表达式是这样的:

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如果它们质量相等,那所有可能出现的(V_A, V_B)对,就都在一个圆上。

那如果质量不相等呢?我们定义一个新的量:

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这样,能量守恒表达式就变成了:

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不论什么时候,就都是一个圆了。

也就是这样

这个有趣的碰撞实验中,居然隐藏着圆周率的秘密

如果我们用很多点来表示碰撞前后,两个小球的状态,那它们一定在这个绿色的圆上。

在一开始,B球不动,A球运动,那么就可以用0号圆点表示现在的状态。

然后,A与B相碰,这个时候,就要考虑动量守恒了:

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这个时候,我们有关于\ce_A的表达式:

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是一条倾斜向下的直线。一开始,这条直线过0点,我们找到它与绿球的交点,那个点就是第一次碰撞后的状态,请看这张图:

这个有趣的碰撞实验中,居然隐藏着圆周率的秘密

第一次碰撞之后,系统变为1点的状态。而后,B球一定会先与墙壁碰撞,速度反向,那么就会到达2点。

这个时候,我们再重复前面的工作:绘制一条倾斜向下、斜率相同的直线:

这个有趣的碰撞实验中,居然隐藏着圆周率的秘密

如此重复,我们就通过作图的方法,得到了8个碰撞点的系统状态。系统在最后,A、B两球都向右,且A的速度大于B,此时系统不会再有新的碰撞。


好,那这与Pi又有什么关系呢?

我们再来看看那条倾斜向下的直线:

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当m_A >> m_B时,这条直线的斜率就远小于1. 根据下面的图,由几何关系可以知道,δ=2θ。

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对于任意选取的A点,我们有对面的B点,以及从A出发,顺时针旋转得到的C点。

我们的目标,是找到δ的表达式,如果δ=kθ那问题就非常非常简单,也非常非常美妙了!

根据几何关系,确定BC位置之后,圆上任意A点的角度不变,那么很容易就可以得到δ=2θ

到了这里,问题就极为清晰了!

每两次碰撞,就相当于在圆上旋转了δ=2θ 度,而且这个角度只与AB质量之比有关。与其他的东西都没有关系。

这个时候,我们代入m_A = 100,000,000m_B (10^8 m_B),那就有sqrt(m_B/m_A)=10^4,对于2Pi角度,需要旋转:

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次,对应的,就是31415次碰撞!

Q.E.D


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