運動量と衝突の実験室

いかなる閉じた系においても、運動量は作用・反作用の法則（ニュートンの第3法則）によって常に保存されます。すなわち、台車1が台車2に及ぼす力は、台車2が台車1に及ぼす力と等しく、かつ逆向きです。しかし、運動エネルギーは完全弾性衝突（e = 1）の場合にのみ保存されます。現実のマクロな衝突では、エネルギーは常に熱エネルギー、音、物質の変形に放散されます（e < 1）。一方、サブアトミック（亜原子）スケールにおける気体分子同士の衝突は完全弾性であり、気体が床に静的な冷たい液だまりとして沈殿しないのはこのためです。

反発係数 e は、このツールの中心的なつまみです。これは単に「分離速度 ÷ 接近速度」で、e = 1 は完全な跳ね返り（スーパーボール）を、e = 0 は台車が濡れた粘土のようにくっついて離れないことを意味します。自宅でも測れます。ボールを落とし、跳ね返った高さを落とした高さで割ると、それが e² になります。落とした高さの約64%まで跳ね返るバスケットボールは e ≈ 0.8 です。

探査機のスイングバイ（重力アシスト）は、何一つ接触しないまま、まさにこの法則に従います。惑星の基準系では接近通過は完全弾性衝突（e = 1）で、探査機は来たときと同じ速さで、向きだけ変えて去ります。ところが太陽の基準系では、惑星の公転速度のほぼ2倍を得ることができます。こうしてボイジャー2号は木星付近で約 10 km/s を稼ぎました。これは惑星の公転運動から借りたもので、その代わり惑星はごくわずかに減速したのです。