日常的不可思議 能量 不需要先備知識 閱讀約7分鐘

球為什麼每次彈起都變低?
― 不是消失了,而是一點一點變成熱和聲音

掉落的球,第2次彈起會比第1次低,第3次又更低。看起來力量好像在某處「消失」了,但其實並沒有消失。球在地板上壓扁又恢復原形的那一瞬間,就會把一部分的運動轉換成熱和聲音釋放出去。而且每次釋放的,都是「相同的比例」。

發布:2026.10.05 難度:★☆☆(不需要先備知識也能讀) 只有最後的折疊區塊會出現數學式
先想像一下這個場景

小孩把彈力球丟到地上。碰、碰、碰、咚、咚咚咚咚……。每次彈起都變低,聲音的間隔也愈來愈短,最後像在地上發抖一樣停下來。

「咦,為什麼會愈彈愈低?一直維持同樣的高度彈不是很好嗎?」被這麼一問,很容易脫口回答「因為力量用完了」。

但那個「力量」到底去了哪裡呢?用手摸摸球,也看不出什麼東西減少了。答案就藏在彈起的那一瞬間。

變低的理由,只有兩個

1
壓扁的球,不會把拿到的全部還回去

撞到地板的球會瞬間壓扁,再靠著恢復原形的勢頭彈起來。然而,恢復時彈回的勢頭,會比壓扁時稍微小一點。這個差額,就會在球內部變成熱。

2
聲音和地板的震動,也會一點一點帶走能量

「碰」的聲音,正是讓空氣震動所做的功的證據。地板也會微微震動。這些都是從球的運動裡被分走的一部分。

這兩者都只是把球的運動轉換成了別的形式,總量並沒有減少。這就是理科所說的「能量守恆」。只不過,變成熱和聲音的那部分,已經沒辦法再用來把球抬高了。

每次都只減少「相同的比例」

彈跳的球有一個神奇的規律。重要的不是減少了幾公分,而是減少到幾成,這個比例每次都差不多相同。把桌球丟到堅硬的台面上,彈起的高度大約是掉落高度的四分之三。從1公尺高丟下,第一次彈到75公分,接著是56公分,再接著是42公分,以乘法的方式愈變愈小。

高度變低之後,在空中的時間也會變短。所以才會聽到「碰、碰、咚咚咚咚」這樣愈來愈密集的聲音間隔。請用圖1下方的滑桿,試著改變彈起的比例。

高度 1 m 0 2秒 4秒 6秒 8秒 落下後經過的時間 從這裡落下 第3次彈起高度:約 42 cm 停止所需時間:計算約 6.3 秒
移動滑桿後,山形變低的方式與停止所需的時間都會改變
圖1:從1公尺高(左上圓點)落下的球,高度隨時間變化的情形。淺藍色的山形代表每一次彈起,愈往右邊愈低、愈窄。用滑桿改變彈起比例後,就會看到右上方的數字一樣,比例愈大的球能彈跳愈久。桌球大約是75%,網球大約是55%。

神奇的地方在於,理論上彈跳次數是無限的,但停止所需的時間卻是有限的。因為山形的寬度會愈縮愈小,全部加起來幾秒鐘就結束了。實際上到了最後,已經分不出是在彈跳還是在發抖。

失去的部分,會在球內部變成熱

橡膠球壓扁的時候,內部的長鏈橡膠分子會一邊摩擦一邊伸縮。這就像搓手會發熱一樣,摩擦會產生熱。請看圖2。在壓扁和恢復的過程中,就會因為這種摩擦而損失一部分的勢頭。

① 落下 ② 壓扁 ③ 彈起 快 波浪線:內部摩擦生熱 運動,暫存在壓扁的形變裡 稍慢 彈起的勢頭,稍微減少了 撞到地板前
圖2:把彈跳的瞬間分成三步驟的圖。左邊粗的向下箭頭是落下的速度,右邊細短的向上箭頭是彈起的速度。中央壓扁的球上方的波浪線,代表橡膠內部摩擦所產生的熱。

變成熱的量其實很少,摸起來感覺不到溫度上升。不過,彈跳次數一多,這個損失就會慢慢累積起來。這種損失愈少的材質,彈得愈高。彈力球之所以彈得好,就是因為它是用壓扁時內部摩擦較少的橡膠做成的。

💡 壁球選手在比賽前會先把球弄熱

壁球在冰冷的狀態下幾乎彈不起來。選手會在比賽前不斷把球打向牆壁,讓球變熱。橡膠的硬度和摩擦方式會隨溫度改變,變熱之後彈性會變好。也就是說,選手反過來利用了每次彈跳時產生的熱。

💡 正式比賽用球,是用「彈跳方式」來檢驗的

桌球和網球的正式用球,都訂有從固定高度落下時應彈起多高的標準。因為彈跳方式參差不齊就無法比賽。下面的折疊區塊,會用這些標準數值來做計算。

總結

球每次彈起都會變低,是因為壓扁再恢復原形的那一瞬間,一部分的運動轉換成了熱和聲音。因為每次損失的比例幾乎相同,所以高度以乘法方式減少,聲音的間隔也會愈來愈密集。能量並沒有消失,只是換了形式,散到地板和周圍的空氣裡而已。

球每次彈跳,都在一點一點地支付熱的代價。
愈變愈低的高度,正是那份支付的記錄。

關於運動轉換成熱的話題,也可以參考搓手為什麼會變暖?,或是瀑布下方的水,會比落下前更溫暖嗎?。石頭在水面上彈跳的話題,請見石頭為什麼能在水面上連續彈跳好幾次?。

🧪 在家就能做的觀察:測一測彈跳的比例
  1. 在牆上貼捲尺,把球從1公尺高處輕輕放下。用智慧型手機從側面拍影片,會更容易讀出彈起的高度。
  2. 讀出第1次和第2次的高度,比較「第1次高度÷1公尺」與「第2次高度÷第1次高度」。應該會得到差不多相同的比例。
  3. 換成彈力球、網球、乒乓球等不同種類來比較。也可以比較放進冰箱冷藏過的球,和用手搓熱的球。

如果地板是柔軟的榻榻米或地毯,地板本身會吸收熱量,導致不管哪種球都彈不太起來。請在堅硬的地板上比較。訣竅是輕輕放手,不要用力丟。

想了解更多 ― 用語、數學式與教科書的對應從國中理科到大學的專業科目,都會清楚標示屬於哪個程度的內容
以下標籤的意義
  • 國中國中理科會學到的範圍
  • 高中高中「物理基礎」「物理」會學到的範圍
  • 高中+高中的進階內容,或教科書專欄介紹的內容
  • 大學高中不會教、屬於大學專業科目(力學、材料力學、高分子物理)的內容
  • 研究即使在大學也不會當作「定論」教授,目前研究者仍在調查中的內容

國中用語:這個現象是有名稱的

國中高中用數學式驗證:每次彈跳,高度會減少多少

利用桌球和網球正式比賽用球的標準數值,計算彈起高度與停止所需的時間。

⓪ 基礎公式
用符號表示hn = h0 × e2n(反彈係數 e = √( h1 ÷ h0 ))
用文字表示第n次彈起的高度 = 落下高度 × (反彈係數的平方)連乘n次
公式的來源在空中時力學能守恆,所以高度與速度的平方成正比。每當撞到地板後速度變成e倍,高度就會變成e的平方倍
符號意義與單位
h0落下高度(cm)
hn第n次彈起的高度(cm)
e反彈係數(無單位,介於0到1之間)
t0最初落到地板所需的時間(秒)
① 基本數值
桌球:落下高度(國際規則標準)30.5 cm
桌球:彈起高度的標準值約 23 cm
網球:落下高度(國際規則標準)254 cm
網球:彈起高度標準的中間值約 141 cm(135〜147 cm)
從1 m高處落下所需的時間約 0.45 秒
② 實際計算
桌球:彈起高度的比例(e的平方)23 ÷ 30.5 ≒ 0.75
從1 m落下後第1次彈起的高度100 × 0.75 = 75 cm
第2次高度75 × 0.75 ≒ 56 cm
第3次高度56 × 0.75 = 42 cm
網球:彈起高度的比例141 ÷ 254 ≒ 0.56
網球每次彈跳損失的比例1 − 0.56 = 0.44

也就是說,桌球每彈跳一次就會以熱或聲音的形式釋放約四分之一的力學能,網球則超過四成。

③ 停止所需的時間(桌球,從1 m落下)
停止所需時間的公式(把山形的寬度當作等比級數相加的結果)T = t0 × (1 + e) ÷ (1 − e)
0.75的平方根(反彈係數e)約為 0.866
分子1 + 0.866 = 1.866
分母1 − 0.866 = 0.134
分子除以分母1.866 ÷ 0.134 ≒ 13.9
停止所需的時間0.45 × 13.9 ≒ 6.3 秒

彈跳次數理論上可以無限持續下去,但時間的總和卻會收斂在約6秒左右。這和圖1右上方的數字相同。實際上還會受到空氣阻力,以及緩慢碰撞時彈跳方式變化的影響,請當作參考值看待。

高中高中+反彈係數與損失的能量

高中物理基礎課程中,會學到與地板的反彈係數定義為「碰撞後速度 ÷ 碰撞前速度」。因為動能與速度的平方成正比,所以一次碰撞後保留的能量比例就是e的平方。這恰好與彈起高度的比例一致。

高中+停止所需的時間,是山形寬度以固定比例e縮小所形成的等比數列。因此即使加總無限多項,結果仍會收斂成有限值。這正是數學中無窮等比級數求和公式的應用。

大學黏彈性與遲滯損耗

橡膠是兼具彈簧般彈性與蜂蜜般黏性的黏彈性材料。壓縮時的力曲線與恢復時的力曲線並不一致,兩者之間的面積就是以熱的形式損失的遲滯損耗。接觸瞬間的形變可以用赫茲接觸理論來估算。已知反彈係數會隨碰撞速度與溫度而變化。

📖 公式推導與更深入的內容:反彈係數(日文維基百科) / 力學能守恆定律(日文維基百科)

研究目前還不清楚的事

換句話說,本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。每次以相同比例減少的規律,也請當作一個良好的近似來理解。

與教科書的對應(依程度分類)

程度科目・單元對應本文的哪個部分
國中理科「力學能」「能量的轉換」運動轉換成熱和聲音的說明
高中物理基礎「反彈係數」「力學能」高度比例=e的平方的計算
高中+數學「無窮等比級數」停止所需時間收斂為有限值
大學材料力學・高分子物理「黏彈性」「遲滯損耗」橡膠內部產生熱的機制
研究接觸力學・粉體物理反彈係數的速度依賴性、非彈性崩塌
―與生活的關聯運動用球的檢驗、壁球選手把球弄熱的習慣
參考・出處
  1. 國際桌球聯盟(ITTF)《競賽規則》及技術資料(球的規格:從30.5 cm落下時的彈起高度)
  2. 國際網球總會(ITF)《網球規則》附則(球的規格:從254 cm落下時彈起135〜147 cm)
  3. Cross, R. "The bounce of a ball", American Journal of Physics 67, 222 (1999)
  4. 高中「物理基礎」教科書(反彈係數、力學能守恆單元)

※本文為一般大眾取向的科學解說。文中數值為方便理解原理所做的估算與概算。球的彈跳方式,會因材質、溫度、地板硬度而有很大差異。