Решение на момент правки #22180 от , автор igor. Это не текущая версия.

Условие

1.1.19. На какой угол изменится направление скорости шара после двух упругих ударов о стенки, угол между которыми равен ? Как полетит шар, если угол ? Движение происходит в плоскости, перпендикулярной стенкам. При упругом ударе о гладкую неподвижную стенку угол падения шара равен углу отражения.

Решение

1. Угол между нормалями

Рассмотрим четырехугольник, образованный вершиной клина (с углом ), двумя точками удара шарика о стенки и точкой пересечения проведенных к ним перпендикуляров (нормалей). Поскольку перпендикуляры образуют со стенками углы 90°, сумма двух оставшихся углов этого четырехугольника равна 180°. Следовательно, угол между нормалями при их пересечении равен .

2. Связь углов падения и угла клина

Обратим внимание на треугольник, который образует траектория шарика (красная линия) между двумя соударениями и две нормали.
Внутренние углы этого треугольника, прилегающие к нормалям, — это углы падения и . Третий угол — это найденный угол пересечения нормалей .
Поскольку сумма углов любого треугольника равна 180°, запишем уравнение:

Из этого напрямую следует ключевое равенство:

3. Изменение направления скорости

При каждом упругом отражении вектор скорости поворачивается на угол , где — угол падения относительно нормали.
Так как шарик совершает два последовательных удара, суммарный угол поворота вектора скорости составит:

Подставляя сюда наше равенство , получаем:

Геометрически поворот вектора на угол означает, что итоговый угол между начальным и конечным направлениями равен в точности (отмечен на рисунке четверной голубой дугой).

При :

Направление изменится на , то есть мяч полетит строго в противоположном направлении.

Альтернативное решение

Метод выпрямления. Рассмотрим случай . По симметрии отражения при ударе будем продолжать движение в отраженный угол относительно плоскости удара. Получается прямая траектория.

Вот рисунок схема.

Пусть к верхней грани подлетает с углом к грани этой. По чертежу выпрямления через два удара тело летит к верхней снова, но под углом

Если , то получаем аналогично , то есть тело разворачивается относительно первоначального направления.

Следующая возможная подзадача: найдите число соударений шара.

Ответ

На угол . В направлении, противоположном начальному.