ガリレオ砲は、連続する一次元弾性衝突による速度増幅を実証します。質量が減少するボールの山を落とすと、一番下のボールが跳ね返り、上のボールと衝突します。質量が大きいボール[latex]m_1[/latex]が速度[latex]v[/latex]で跳ね返り、[latex]v[/latex]で下降しているはるかに小さい質量のボール[latex]m_2[/latex]に衝突する理想的なケースでは、小さい質量のボールはほぼ[latex]3v[/latex]の速度で上方に押し上げられます。

(画像はイメージです)
ガリレオ砲は、連続する一次元弾性衝突による速度増幅を実証します。質量が減少するボールの山を落とすと、一番下のボールが跳ね返り、上のボールと衝突します。質量が大きいボール[latex]m_1[/latex]が速度[latex]v[/latex]で跳ね返り、[latex]v[/latex]で下降しているはるかに小さい質量のボール[latex]m_2[/latex]に衝突する理想的なケースでは、小さい質量のボールはほぼ[latex]3v[/latex]の速度で上方に押し上げられます。
The core principle of the Galilean cannon relies on the conservation of linear momentum and kinetic energy in perfectly elastic collisions. Consider two balls, a large one of mass [latex]m_1[/latex] and a small one of mass [latex]m_2[/latex]. The entire stack falls under gravity, reaching a velocity [latex]-v[/latex] just before impact. The bottom ball, [latex]m_1[/latex], strikes the ground and perfectly rebounds with velocity [latex]+v[/latex]. It immediately collides with ball [latex]m_2[/latex], which is still moving downwards at [latex]-v[/latex].
球体[latex]m_1[/latex]上の観測者から見ると、球体[latex]m_2[/latex]は相対速度[latex](-v) – (+v) = -2v[/latex]で接近しています。完全弾性衝突では、分離時の相対速度は接近時の相対速度の負の値に等しくなります。したがって、衝突後、球体[latex]m_2[/latex]は相対速度[latex]+2v[/latex]で[latex]m_1[/latex]から遠ざかっていきます。
実験室系における [latex]m_2[/latex] の最終速度 [latex]v_2′[/latex] を求めるには、この相対分離速度を [latex]m_1[/latex] の最終速度 [latex]v_1′[/latex] に加えます。 1 次元弾性衝突における最終速度の式は、[latex]v_2′ = frac{v(3m_1 – m_2)}{m_1 + m_2}[/latex] となります。 [latex]m_1 >>>> m_2[/latex] の極限の場合、[latex]m_1[/latex] の質量が非常に大きいため、その速度は衝突によってほとんど影響を受けず、[latex]v_1′ approx v[/latex] となります。すると、[latex]m_2[/latex]の最終速度は[latex]v_2′ approx v_1′ + 2v approx v + 2v = 3v[/latex]となります。2番目のボールの速度が3倍になるのが、基本的な増幅効果です。ボールを積み重ねると、この効果が連鎖的に起こり、一番上のボールの速度はさらに高くなります。
アストロブラスター® ガリレオ砲の原理を実証するために市販されていたおもちゃは、大きさと質量が徐々に小さくなる4つの球が中央の軸に取り付けられており、衝突が一次元で行われるように設計されていた。落下すると、一番上の小さな球が元の落下高さの何倍もの高さまで跳ね返り、運動エネルギーの伝達と集中を鮮やかに示していた。
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ガリレオ砲 ― 積み重ねられた球体の衝突における速度増幅
(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)
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