virtulab.net Статьи Физика Импульс тела. Закон сохранения импульса

Виртуальная лаборатория ВиртуЛаб

Виртуальные лаборатории позволяют рассказать и показать о любых явлениях природы.

Импульс тела. Закон сохранения импульса

1. Как вам известно, результат действия силы зависит от ее модуля, точки приложения и направления. Действительно, чем больше сила, действующая на тело, тем большее ускорение оно приобретает. От направления силы зависит и направление ускорения. Так, приложив небольшую силу к ручке, мы легко открываем дверь, если ту же силу приложить около петель, на которых висит дверь, то ее можно и не открыть.

Опыты и наблюдения свидетельствуют о том, что результат действия силы (взаимодействия) зависит не только от модуля силы, но и от времени ее действия. Проделаем опыт. К штативу на нити подвесим груз, к которому снизу привязана еще одна нить (рис. 59). Если за нижнюю нить резко дернуть, то она оборвется, а груз останется висеть на верхней нити. Если же теперь медленно потянуть за нижнюю нить, то оборвется верхняя нить.

Импульсом силы называют векторную физическую величину, равную произведению силы на время ее действия Ft.

Единица импульса силы в СИ — ньютон‑секунда (1 Н • с): [Ft] = 1 Н•с.

Вектор импульса силы совпадает по направлению с вектором силы.

2. Вы также знаете, что результат действия силы зависит от массы тела, на которое эта сила действует. Так, чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно приобретает при действии одной и той же силы.

Рассмотрим пример. Представим себе, что на рельсах стоит груженая платформа. С ней сталкивается движущийся с некоторой скоростью вагон. В результате столкновения платформа приобретет ускорение и переместится на некоторое расстояние. Если же движущийся с той же скоростью вагон столкнется с легкой вагонеткой, то она в результате взаимодействия переместится на существенно большее расстояние, чем груженая платформа.

Другой пример. Предположим, что к мишени подлетает пуля со скоростью 2 м/ с. Пуля, вероятнее всего, отскочит от мишени, оставив на ней лишь небольшую вмятину. Если же пуля будет лететь со скоростью 100 м/с, то она пробьет мишень.

Таким образом, результат взаимодействия тел зависит от их массы и скорости движения.

Импульсом тела называют векторную физическую величину, равную произведению массы тела и его скорости.

 

pmv.

Единица импульса тела в СИ — килограмм-метр в секунду (1 кг • м/с): [p] = [m][v] = 1 кг•1м/ с = 1 кг•м/с.

Направление импульса тела совпадает с направлением его скорости.

Импульс — величина относительная, его значение зависит от выбора системы отсчета. Это и понятно, поскольку относительной величиной является скорость.

3. Выясним, как связаны импульс силы и импульс тела.

По второму закону Ньютона:

Fma.

Подставив в эту формулу выражение для ускорения a = , получим:

F = , или
Ftmv – mv0.

В левой части равенства стоит импульс силы; в правой части равенства — разность конечного и начального импульсов тела, т. е. изменение импульса тела.

Таким образом,

импульс силы равен изменению импульса тела.

 

Ft = D(mv).

Это иная формулировка второго закона Ньютона. Именно так сформулировал его Ньютон.

4. Предположим, что сталкиваются два шарика движущиеся по столу. Любые взаимодействующие тела, в данном случае шарики, образуют систему. Между телами системы действуют силы: сила действия F1 и сила противодействия F2. При этом сила действия F1 по третьему закону Ньютона равна силе противодействия F2 и направлена противоположно ей: F1 = –F2.

Силы, с которыми тела системы взаимодействуют между собой, называют внутренними силами.

Помимо внутренних сил, на тела системы действуют внешние силы. Так, взаимодействующие шарики притягиваются к Земле, на них действует сила реакции опоры. Эти силы являются в данном случае внешними силами. Во время движения на шарики действуют сила сопротивления воздуха и сила трения. Они тоже являются внешними силами по отношению к системе, которая в данном случае состоит из двух шариков.

Внешними силами называют силы, которые действуют на тела системы со стороны других тел.

Будем рассматривать такую систему тел, на которую не действуют внешние силы.

Замкнутой системой называют систему тел, взаимодействующих между собой и не взаимодействующих с другими телами.

В замкнутой системе действуют только внутренние силы.

5. Рассмотрим взаимодействие двух тел, составляющих замкнутую систему. Масса первого тела m1, его скорость до взаимодействия v01, после взаимодействия v1. Масса второго тела m2, его скорость до взаимодействия v02, после взаимодействия v2.

Силы, с которыми взаимодействуют тела, по третьему закону: F1 = –F2. Время действия сил одно и то же, поэтому

F1t = –F2t.

Для каждого тела запишем второй закон Ньютона:

F1tm1v1 – m1v01F2tm2v2 – m2v02.

Поскольку левые части равенств равны, то равны и их правые части , т. е.

m1v1 – m1v01 = –(m2v2 – m2v02).

Преобразовав это равенство, получим:

 

m1v01m1v02m2v1m2v2.

В левой части равенства стоит сумма импульсов тел до взаимодействия, в правой — сумма импульсов тел после взаимодействия. Как видно из этого равенства, импульс каждого тела при взаимодействии изменился, а сумма импульсов осталась неизменной.

Геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы.

В этом состоит закон сохранения импульса.

6. Замкнутая система тел — это модель реальной системы. В природе нет таких систем, на которые не действовали бы внешние силы. Однако в ряде случаев системы взаимодействующих тел можно рассматривать как замкнутые. Это возможно в следующих случаях: внутренние силы много больше внешних сил, время взаимодействия мало, внешние силы компенсируют друг друга. Кроме того, может быть равна нулю проекция внешних сил на какое‑либо направление и тогда закон сохранения импульса выполняется для проекций импульсов взаимодействующих тел на это направление.

7. Пример решения задачи

Две железнодорожные платформы движутся навстречу друг другу со скоростями 0,3 и 0,2 м/с. Массы платформ соответственно равны 16 и 48 т. С какой скоростью и в каком направлении будут двигаться платформы после автосцепки?

 

Дано:

СИ

Решение

v01 = 0,3 м/с

v02 = 0,2 м/с

m1 = 16 т

m2 = 48 т

v1v2v

v02 =

v02 =

1,6104кг

4,8104кг

Изобразим на рисунке направление движения платформ до и после взаимодействия (рис. 60).

Силы тяжести, действующие на платформы, и силы реакции опоры коммпенсируют друг друга. Систему из двух платформ можно считать замкнутой

vx ?

и применить к ней закон сохранения импульса.

m1v01m2v02 = (m1m2)v.

В проекциях на ось X можно записать:

m1v01xm2v02x = (m1m2)vx.

Так как v01xv01v02x = –v02vx = –v, то m1v01 – m2v02 = –(m1 m2)v.

Откуда v = – .

v = –  = 0,75 м/с.

После сцепки платформы будут двигаться в ту сторону, в которую до взаимодействия двигалась платформа с большей массой.

Ответ: v = 0,75 м/с; направлена в сторону движения тележки с большей массой.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют импульсом тела?

2. Что называют импульсом силы?

3. Как связаны импульс силы и изменение импульса тела?

4. Какую систему тел называют замкнутой?

5. Сформулируйте закон сохранения импульса.

6. Каковы границы применимости закона сохранения импульса?

Задание 17

1. Чему равен импульс тела массой 5 кг, движущегося со скоростью 20 м/с?

2. Определите изменение импульса тела массой 3 кг за 5 с под действием силы 20 Н.

3. Определите импульс автомобиля массой 1,5 т, движущегося со скоростью 20 м/с в системе отсчета, связанной: а) с неподвижным относительно Земли автомобилем; б) с автомобилем, движущимся в ту же сторону с такой же скоростью; в) с автомобилем, движущимся с такой же скоростью, но в противоположную сторону.

4. Мальчик массой 50 кг спрыгнул с неподвижной лодки массой 100 кг, расположенной в воде около берега. С какой скоростью отъехала лодка от берега, если скорость мальчика направлена горизонтально и равна 1 м/с?

5. Снаряд массой 5 кг, летевший горизонтально, разрывался на два осколка. Какова скорость снаряда, если осколок массой 2 кг при разрыве приобрел скорость 50 м/с, а второй массой 3 кг — 40 м/с? Скорости осколков направлены горизонтально.

 

 



+ Физика

Виртуальные лабораторные работы по Физике

добавить на Яндекс