每到周末，許多人喜歡相約去打打乒乓球、打籃球或是踢足球，更高端些的會去打網球和高爾夫，嗯，那是貴族運動。

但你很少聽說誰跟誰去打鐵球玩兒。

在球類運動中，我們時常要利用它們的彈性特征，比如說當一個孩子将橡膠球玩具扔到地上時，球可以反彈得很高。但你要扔一個鐵球就不行，它大概率會将地面砸一個坑而不是反彈起來。

鐵球與橡膠球

同樣是球，為什麼有些球可以反彈起來，而另一些球就不能呢？

這一方面涉及到球的材料，同時也是一個物理問題。

乒乓球最初是由一種叫賽璐璐的人造塑料制作的，由于這種材料的主要成分是硝化纖維素和樟腦，它極易燃燒，現在被改用一種新型聚合物材料制作。

打乒乓球的孩子

高爾夫球的外殼是由聚丁二烯來制作，這種材料的恢複系數達到驚人的11.8，很少有其它材料比它的彈性更好了。

高爾夫球的外殼彈性極佳

而其它如籃球、排球與足球的内膽、網球等等，包括孩子們玩的彈跳球，則大多離不開橡膠。丁基橡膠的恢複系數達6.24，這表示它有很好的彈性。

你将一個籃球砸向地面，它能反複跳動很多下，但你要把一顆鉛球扔地上，頂多聽到“咚”的一聲它就停下來了。于是我們知道籃球的彈性很好，鉛球沒什麼彈性。你的感覺很對，鉛的恢複系數僅有0.08，它是一種非常軟的金屬。

籃球彈跳高度會逐漸減小

彈性是指一個材料被壓縮或拉伸後，它恢複原來形狀有多快。一個物體越快回複受力變形之前的狀态，表示它的彈性越好，反之彈性就越差。

為什麼橡膠和其它大部分聚合物有很好的彈性和柔韌性？這與它們的分子結構有關。

天然橡膠的主要成分是順式-聚異戊二烯，現在我們用到的橡膠制品大多是化學合成的順式-聚異戊二烯，它是一種長的碳分子鍊。

人工合成橡膠的長分子鍊

橡膠就是由這樣長長的碳分子鍊組成的纖維相互糾纏、交錯、鍵合而成，碳纖維之間依靠不同點處的分子鍵與其它碳纖維附着。橡膠具有很強的分子鍵，橡膠的長分子鍊可以圍繞這些将它們結合在一起的化學鍵進行物理旋轉，于是顯示出很強的柔韌性。同時由于分子鍊是交聯的，因此橡膠在變形後不容易斷裂，它可以迅速恢複其原始形狀。

當我們将一個球舉高，由于對球做了功，使球有了勢能。我們松開手時，球會因重力而下落，全部勢能轉化為動能。

在球與地面撞擊的過程中，球上的分子會受到力的擠壓而改變其原來的相對位置，球的形狀會發生變化。有些球的接觸面會被壓癟，而那些彈性好的橡膠球則因為碳分子纖維相互糾纏在一起，力的傳遞使得球變成一個扁的橢球體。

反彈的過程

在撞擊發生後，球的前進受到阻礙而突然停止，但此時它依然還有向前的動能。這些能量一部分被沖擊的表面吸收轉化為其它能量，另一部分會作用于球的自身，這就是球的彈性能量。

對于橡膠球來說，彈性能量使得分子鍊變形，分子鍵之間的力會增加。當球停止後，儲存在分子鍵上的能量會被釋放出來，使球向地面施加力。按照牛頓第三定律，地面會對球施加一個大小相等且方向相反的力，從而使球離開地面。

但鐵球的情況就明顯不同。鐵原子之間是以晶體結構進行鍵合的，雖說它們鍵合的力很大，但它缺乏彈性，如果兩個鐵原子之間因為受到外力作用發生了位置變化，變了也就變了，它大概率不會回到原來的地方。那麼撞擊的能量去哪兒了呢？能量大多會被吸收，其中一部分用于改變原子之間的位置（也就是變形），另一些轉化為熱能，剩下的用于反彈。當你撿起鐵球時，會發現要麼球上有個凹痕，要麼地上有坑，或者兩者都有。

鐵球與橡膠球的反彈示意

說到這裡，你一定想到了物理課裡介紹的彈性碰撞。我們的物理老師在講到彈性碰撞時常常會用到一個工具——牛頓擺，來介紹彈性碰撞的原理。

既然橡膠球比鐵球更有彈性，為什麼牛頓擺上用的是鐵球而不是橡膠球呢？

牛頓擺通常用鐵球制作

請注意：本文介紹的碰撞中的“彈性”與彈性碰撞中的“彈性”，它不是一回事。

本文中橡膠球的彈性，是指物體受力變形後回複它原有形狀的特性，以及這種特性産生的物理現象。而物理中的彈性碰撞，它指的是剛性物體在理相狀态下發生碰撞後的動能轉移。

在彈性碰撞的過程中，發生相互碰撞的物體，它們必須是完全剛性的，也就是說它們自身不會變形（事實上除了原子最近似外，世界上并不存在這種物體）；其次，在發生碰撞後，動能不會轉變為其它能量，比如熱能，甚至連聲音都不應該有。

氣體原子的彈性碰撞示意

牛頓擺隻能近似地演示彈性碰撞的動能傳遞，鐵球在小幅度撞擊時自身的變形很小，空氣的阻力、擺繩的摩擦力可以忽略，啪啪的撞擊聲也可以假裝聽不見。但事實上它要不了多久就會停下來，因為能量在撞擊的過程中一點點地損失掉了。

牛頓擺常被用來演示彈性碰撞

既然橡膠球的彈性比鐵球好，為什麼不用橡膠球做牛頓擺呢？其實橡膠球的碰撞過程在物理學上屬于非彈性碰撞，因為橡膠球在受外力擠壓後會産生變形，形狀的改變意味着動能會轉變為其内部原子的振動能，從而造成動能損失，它傳遞出去的能量一定會減少，因此橡膠球不适合用來做牛頓擺。

物體是否對外顯示出彈性，主要取決于它内部的分子結構。橡膠球、乒乓球以及高爾夫球等物體主要由高分子材料制成，這些高分子材料中有相互糾纏的碳分子鍊，碳鍊受擠壓變形、将能量儲存起來再部分釋放，從而使球彈跳。

包括鐵球在内的絕大部分金屬球的彈性很差，因為它們是由原子相互鍵合而成的晶體。當受到外力撞擊時，受沖擊部位的原子改變位置後不會再回到原處，大部分動能被消耗掉了，所以鐵球很難彈跳起來。

巨大的鐵球被用來夯實地面

球體内部的充氣會減輕球的重量同時增加彈性，為了簡化，我們沒有考慮這個因素；同時我們還忽略了被碰撞物體的性質，假設它是剛性的。你把一顆橡膠球扔在一張厚地毯上，它也彈不起來。

最後需要重申的是：橡膠球的碰撞在物理學上被稱為非彈性碰撞，這與彈性碰撞的定義有關，跟本文中讨論的彈性變形是兩回事。

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