Выполняется ли закон сохранения импульса при распаде тела кратко

Обновлено: 03.07.2024

Если два или несколько тел взаимодействуют только между собой (то есть не подвергаются воздействию внешних сил), то эти тела образуют замкнутую систему .

Импульс, равный векторной сумме импульсов тел, входящих в замкнутую систему, называется суммарным импульсом этой системы.

Результирующая векторная величина импульса системы тел равна векторной сумме импульсов тел, её составляющих:

Закон сохранения импульса
Суммарный импульс системы тел до взаимодействия равен суммарному импульсу этой системы тел после взаимодействия.

В этом заключается закон сохранения импульса, который называют также законом сохранения количества движения.

Для примера возьмем систему из двух тел: шары массами m 1 и m 2 равномерно и прямолинейно движутся со скоростями v 1 и v 2 , причем их скорости противоположно направлены, то есть шары движутся навстречу друг другу. Импульсы шаров записываются p 1 → = m 1 v 1 → и p 2 → = m 2 v 2 → соответственно.

Когда шары приблизятся друг к другу, произойдет столкновение. Удар не будет мгновенным, он займёт пусть малое, но вполне измеримое время $t$, при этом появятся силы взаимодействия F 1 → и F 2 → , которые будут приложены к первому и второму шарам соответственно. Как известно, под действием силы скорость тела меняется, поэтому изменятся и скорости шаров. После столкновения модули и направления скоростей могут быть совершенно иными, поэтому обозначим скорости v 1 ′ и v 2 ′ соответственно. Изменятся и импульсы шаров, они станут равны p 1 → ′ = m 1 v 1 → ′ и p 2 → ′ = m 2 v 2 → ′ соответственно.

Закон сохранения импульса выполняется и в том случае, если на тела системы действуют внешние силы, векторная сумма которых равна нулю.

векторная сумма импульсов всех тел замкнутой системы — величина постоянная, если внешние силы, действующие на неё, отсутствуют или же их векторная сумма равна нулю.

Импульс системы тел может измениться только в результате действия на систему внешних сил. И тогда закон сохранения импульса действовать не будет.

при стрельбе из пушки возникает отдача: снаряд летит вперёд, а само орудие откатывается назад. Почему?

Снаряд и пушка — замкнутая система, в которой действует закон сохранения импульса. В результате выстрела из пушки импульс самой пушки и импульс снаряда изменятся. Но сумма импульсов пушки и находящегося в ней снаряда до выстрела останется равной сумме импульсов откатывающейся пушки и летящего снаряда после выстрела.

В природе замкнутых систем не существует. Но если время действия внешних сил очень мало, например, во время взрыва, выстрела и т. п., то в этом случае воздействием внешних сил на систему пренебрегают, а саму систему рассматривают как замкнутую.

Кроме того, если на систему действуют внешние силы, но сумма их проекций на одну из координатных осей равна нулю (то есть силы уравновешены в направлении этой оси), то в этом направлении закон сохранения импульса выполняется.

Такое же действие совершает и следующий шарик и т. д. Последнему шарику некуда передавать свой импульс, поэтому он свободно колеблется, поднимаясь на определённую высоту, а затем возвращается, и весь процесс передачи импульсов повторяется в обратном порядке.

Импульс (количество движения) тела – это произведение массы тела на скорость его движения " width="10" height="11" />
, т.е. величина " width="26" height="11" />
.

Импульс " width="11" height="15" />
— величина векторная, совпадающая по направлению с вектором скорости " width="10" height="11" />
.

Единица измерения импульса в системе СИ: кг • м/с .

Импульс системы тел равен векторной сумме импульсов всех тел, входящих в систему:

$\overline=\sum^n_<<\overline>_i\ >$

$\overline<F> Импульс силы – это величина, равная произведению силы на время ее действия, т.е. величина \Delta t$
.

Закон сохранения импульса

Если на систему взаимодействующих тел действуют дополнительно внешние силы, например, силы трения, то в этом случае справедливо соотношение, которое иногда называют законом изменения импульса:

$\Delta \overline=\sum^n_<<\overline<F>>_i\Delta t>$

Для замкнутой системы (при отсутствии внешних сил) справедлив закон сохранения импульса:

$\overline=const$

Действием закона сохранения импульса можно объяснить явление отдачи при стрельбе из винтовки или при артиллерийской стрельбе. Также действие закона сохранения импульса лежит в основе принципа работы всех реактивных двигателей.

Примеры решения задач

Задание

Снаряд массой 100 кг, летящий горизонтально вдоль железнодорожного пути со скоростью 500 м/с, попадает в вагон с песком массой 10 т и застревает в нем. Какую скорость получит вагон, если он двигался со скоростью 36 км/ч в направлении, противоположном движению снаряда?

Решение

Система вагон+снаряд является замкнутой, поэтому в данном случае можно применить закон сохранения импульса.

Выполним рисунок, указав состояние тел до и после взаимодействия.

При взаимодействии снаряда и вагона имеет место неупругий удар. Закон сохранения импульса в этом случае запишется в виде:

$m_1<\overline<v> >_1+m_2<\overline<v>>_2=\left(m_1+m_2\right)\overline\$

Выбирая направление оси совпадающим с направлением движения вагона, запишем проекцию этого уравнения на координатную ось:

$m_1v_1-m_2v_2=\left(m_1+m_2\right)u$

откуда скорость вагона после попадания в него снаряда:

$u=\frac<m_1v_1-m_2v_2> $

т кг.

км/ч м/с

$u=\frac<10000\cdot 10-100\cdot 500> =5\ /$

Задание

Снаряд массой m=10 кг обладал скоростью v=200 м/с в верхней точке траектории. В этой точке он разорвался на две части. Меньшая часть массой m₁=3 кг получила скорость v₁=400 м/с в прежнем направлении под углом $\varphi =<60>^\circ$
к горизонту. С какой скоростью и в каком направлении полетит большая часть снаряда?

Решение

Траектория движения снаряда – парабола. Скорость тела всегда направлена по касательной к траектории. В верхней точке траектории скорость снаряда параллельна оси .

Запишем закон сохранения импульса:

$m\overline<v> =m_1<\overline<v>>_1+m_2<\overline<v>>_2$

$m_2<\overline >_2=m\overline-m_1<\overline>_1\$

Перейдем от векторов к скалярным величинам. Для этого возведем обе части векторного равенства в квадрат и воспользуемся формулами для скалярного произведения векторов:

$<m_2> ^2^2=m^2v^2-2mm_1vv_1\cos\varphi +^2^2\$

$\cos\varphi =\cos<60> Учитывая, что ^\circ=\frac$
, а также что , находим скорость второго осколка:

$v_2=\frac<\sqrt<m^2v^2-mm_1vv_1+<m_1> ^2^2>>_1>$

Подставив в полученную формулу численные значения физических величин, вычислим:

$v_2=\frac<\sqrt<<10> ^2\cdot ^2-10\cdot 3\cdot 200\cdot 400+3^2\cdot ^2>>=249\ m/c$

Направление полета большей части снаряда определим, воспользовавшись теоремой синусов:

$\frac<\sin\alpha > =\frac\$

$\sin\varphi =\frac<v_2> \cdot \sin\alpha \$

Подставив в формулу численные значения, получим:

$\sin\varphi =\frac<249> \cdot ^\circ=0,5391\ >$

Задание	Масса поезда 3000 т. Коэффициент трения 0,02. Какова должна быть сила тяги паровоза, чтобы поезд набрал скорость 60 км/ч через 2 мин после начала движения.
Решение	Так как на поезд действует сила трения (внешняя сила), систему нельзя считать замкнутой, и закон сохранения импульса в данном случае не выполняется.

Воспользуемся законом изменения импульса:

$\Delta \overline=\left(\overline+<\overline>_\right)\Delta t$

$\Delta p=\left(F-F_<fr> \right)\Delta t$

$m\Delta v=\left(F-F_<fr> \right)\Delta t$

На горизонтальном участке сила трения:

$F_<fr> =\mu mg$

поэтому можно записать:

откуда находим силу тяги паровоза:

$F=\frac<m\left(\Delta v+\mu g\Delta t\right)> $

$= 3\cdot <10> Переводим единицы в систему СИ: т^6$
кг.

км/ч м/с

мин с

$F=\frac<3\cdot ^6\left(16,7+0,02\cdot 9,8\cdot 120\right)>=^6\ H$

Закон сохранения импульса можно наблюдать повсюду. Он достаточно точно выполняется в реальных условиях, если пренебречь сопротивлением воздуха, силами трения и т.д. Примеры проявления этого закона:

стрелок ощущает отдачу при выстреле из ружья;
рыбак переходит с кормы на нос лодки, а лодка при этом движется в противоположную сторону;
шары сталкиваются на бильярдном столе.

Однако, прежде чем говорить о законе сохранении импульса, рассмотрим понятие замкнутой системы.

Замкнутая система - система тел, на которую со стороны других тел не действуют внешние силы.

Формулировка закона сохранения импульса (ЗСИ)

Векторная сумма импульсов всех тел, входящих в замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях этих тел между собой внутри системы.

Данный закон является следствием из второго и третьего законов Ньютона. Покажем это.

Возьмем замкнутую систему из двух взаимодействующих тел. Силы F 1 → и F 2 → - это силы взаимодействия между телами. Третий закон Ньютона гласит, что F 2 → = - F 1 → . Пусть тела взаимодействуют во течение времени t . Тогда импульсы сил одинаковы по модулю и противоположны по направлению, как и сами силы.

F 2 t → = - F 1 → t .

По второму закону Ньютона:

F 1 → t = m 1 v 1 ' → - m 1 v 1 → ; F 2 → t = m 1 v 2 ' → - m 1 v 2 →

Здесь v 1 ' → и v 2 ' → - скорости тел в конце взаимодействия. Соответственно, скорости без штрихов обозначают эти величины в начальный момент взаимодействия.

Из записанного выше следует соотношение:

m 1 v 1 → + m 2 v 2 → = m 1 v 1 ' → + m 2 v 2 ' →

Это равенство - математическая форма записи закона сохранения импульса. Оно означает, что суммарный импульс системы в результате какого-то взаимодействия не изменился.

Проиллюстрируем закон сохранения импульса на примере соударения шаров разных масс. Один из шаров до удара покоился.

Как видим, после удара векторная сумма импульсов двух шаров равна первоначальному импульсу движущегося шара.

Важно! Закон сохранения выполняется и для проекций векторов на координатные оси.

Закон сохранения импульса позволяет решать задачи и находить скорости тел не зная значений действующих сил.

Рассмотрим снаряд, вылетающий из пушки.

В данном случае взаимодействующие тела - это снаряд и пушка. Сначала тела не движутся. При выстреле снаряд приобретает скорость v → и летит вперед, а пушка откатывается назад со скоростью V → . Откатывание пушки называется отдачей от выстрела.

По закону сохранения импульса в проекции на ось OX можно записать:

Реактивное движение

Реактивное движение также основано на принципе отдачи. Нагретые газы выбрасываются из сопла реактивного двигателя со скоростью u → . Пусть масса газов равна m , а масса ракеты после истечения газов - M . Рассматривая замкнутую систему "ракета-газы" и применяя к ней закон сохранения импульса, можно вычислить скорость ракеты V после истечения газов.

Формула для пушки и снаряда не применима к ракете, так как дает лишь приблизительное представление о движении ракеты, На самом деле вся масса газов выходит из сопла не сразу, а постепенно.

Рассмотрим этот процесс подробнее. Пусть масса ракеты в момент времени t равна M , а сама ракета движется со скоростью v → . В течение малого промежутка времени ∆ t из сопла ракеты выбрасывается порция газа с относительной скоростью u → . По истечении времени ∆ t ракета будет двигаться со скоростью v + ∆ v , а масса ракеты станет равной M - ∆ M .

В момент t + ∆ t импульс ракеты равен:

Импульс реактивных газов:

По закону сохранения импульса:

M v → = M - ∆ M · v → + ∆ v → + ∆ M · v → + u → .

M ∆ v → = ∆ M · u → - ∆ M · ∆ v → .

Величиной ∆ M · ∆ v → можно пренебречь, так как ∆ M намного меньше M .

Разделим последнее равенство на ∆ t и перейдем к пределу ∆ t → 0 .

M ∆ v → ∆ t = ∆ M · u → ∆ t ( ∆ t → 0 )

Здесь μ - расход топлива в единицу времени, а - μ u → - реактивная сила тяги. Направление этой силы совпадает с направлением движения ракеты.

Формула M a → = - μ u → выражает второй закон Ньютона для тела переменной массы. В скалярном виде ее можно переписать так:

Конечная скорость ракеты определяется по формуле:

Это так называемая формула Циолковского, согласно которой конечная скорость ракеты может превышать скорость истечения газов из сопла двигателя. Правда, достижение такой скорости связано с определенными сложностями. Во-первых, такими, как значительный расход топлива.

Для того, чтобы развить первую космическую скорость v = v 1 = 7 , 9 · 10 3 м с при скорости истечения газов u = 3 · 10 3 м с стартовая масса ракеты должна быть примерно в 14 раз больше конечной массы.

Современное ракетостроение развивается в направлении экономичных многоступенчатых ракет. Сброс отсеков с отработанным топливом позволяет значительно сократить массу ракеты и оптимизировать дальнейший расход топлива для ее разгона.

Во время эксплуатации различных бытовых приборов мало кто задумывается о том, что в основе многих технических достижений последних лет лежат базовые наработки в области физики, и один из таких — закон сохранения импульса. Применение этого удивительного достижения настоящих изобретателей сопряжено с определёнными познавательными фактами, которые будет интересно узнать тем, кто решил расширить свои знания в области этой науки.

Краткое описание
Ключевые особенности
Интересные факты
Основополагающие моменты
Сущность реактивного движения
Особенности применения физического явления

Краткое описание

Талантливый Рене Декарт был первым человеком, который начал использовать понятие импульс. Он пытался использовать своё открытие как определённую величину, которая заземляет силу. Причина такого подхода Рене весьма очевидна. Измерить единицу силы крайне тяжело, а вот узнать скорость и массу — это задача более простая и выполнимая. Именно поэтому в физике часто говорят, что импульс — это не что другое, как количество движения. Система материальных точек называется замкнутой, если внешние силы отсутствуют, или их равнодействующий показатель равен нулю.

Чтобы можно было разобраться в том, при каких условиях выполняется закон сохранения импульсов, нужно понять, что это физическое направление лежит в основе такого весьма удивительного явления как реактивное движение. Последнее получило широкое применение не только в технике, но и живой природе. Кальмары, осьминоги и медузы отлично используют реактивное движение, которое позволяет им преодолевать большие расстояния в своём подводном мире.

А вот в технике это физическое явление применяется в самолётах, ракетах и даже космических кораблях. Отдельного внимания заслуживает импульс в релятивистской механике. А всё потому, что законы сохранения механической энергии и импульса применяются для решения задач о движении тел после столкновения.

Ключевые особенности

Активно используемый в современном мире закон о сохранении обычных импульсов является следствием из второго и третьего законов Ньютона. Для лучшего усвоения этой темы лучше рассмотреть характерный пример. Специалистами была взята замкнутая система сразу из двух взаимодействующих между собой тел, которые отобразили при помощи F1 и F2. В третьем законе Ньютона чётко написано, что F2 = -F1. Тела взаимодействуют друг с другом в течение определённого промежутка времени (t).

В такой ситуации импульсы сил остаются идентичными по модулю, но противоположными по своему направлению (F1t = -F1t).

Если применить второй закон Ньютона, то в итоге обязательно получиться вот такое математическое выражение: F1t = m1v1 — m1v1; F2t = m1v2 — m1v2. Для отображения реальной скорости тел в конце взаимодействия используются символы v1 и v2. Из этого можно сделать вывод, что соотношение двух тел будет выглядеть следующим образом: m1v1 + m2v2 = m1v1 + m2v2.

Полученный результат позволяет говорить о равенстве (математическая форма записи закона). Это значит, что первоначальный показатель под воздействием какой-либо силы не изменится. Необходимо запомнить, что определение закона сохранения обязательно выполняется и для проекций векторов на координатные оси. Если следовать всем правилам, то можно легко определить суммарный результат в поставленной задаче, а также находить реальную скорость тел, не зная показателей действующих сил.

В качестве примера также можно рассмотреть снаряд, который вылетает из пушки. Эта задача элементарная, но очень познавательная. В роли взаимодействующих тел выступает пушка и снаряд. На первом этапе оба объекта остаются неподвижными. Но при выстреле снаряд приобретает скорость v и летит только вперёд. А вот пушка откатывается в противоположную сторону со скоростью V (происходит отдача, которая может зависеть только от выстрела). В соответствии с законом в проекции на ось можно записать:

На этом примере можно увидеть, что всё элементарно и просто. При движении электронов и других субатомных частиц изменение их состояния происходит скачком без пребывания в промежуточных состояниях. Эту тему активно изучают в 9 классе

Интересные факты

При изучении этой темы нужно понимать, что закон о сохранности импульсов остаётся актуальным исключительно в изолированной/ замкнутой физической системе. В этом случае речь касается той отрасли, где абсолютно все тела тесно взаимодействуют между собой и не реагируют на внешние факторы. Но даже в этом случае действуют свои правила. Лучше представить замкнутую систему, которая состоит из двух физических тел. В этом случае возникают внутренние силы, которые могут характеризоваться определёнными параметрами.

Для первого тела импульс будет равен следующей формуле: Ft = m1v1 — m1v1. В действие снова вступает третий закон Ньютона, описываемый то, что все воздействующие на тела силы равны по своей величине, но противоположны по направлению. А это значит, что для второго тела будет действовать немного другая формула: — Ft = m1v2 — m1v2.

Поиск верного решения происходит путём элементарных вычислений, за счёт чего в итоге получаем математическую формулу закона сохранения импульса: m1v1 + m2v2 = m1v1 l + m2v2 l . Расшифровка выглядит следующим образом:

v 1 l и v 2 l — скорость двух тел;
p 1 '= m 1 · v 1 ' — импульс после взаимодействия;
m 1 и m 2 — масса тел;
p 2 = m 2 · v 2 — импульс второго тела до взаимодействия;
v 1 и v 2 — скорость до взаимодействия;
p 2 '= m 2 · v 2 ' — после взаимодействия;
p 1 = m 1 · v 1 — импульс первого тела до взаимодействия.

Для каждого параметра свойственны свои характеристики, но все они тесно связаны между собой. Векторная сумма импульсов тел до их фактического взаимодействия идентична векторной сумме после взаимодействия. Пример: после выстрела из обычного ружья импульс оружия и пули изменится. Но вот итоговая сумма импульсов останется равной.

Более точную формулировку закона дали физики, так как они утверждают, что векторная сумма импульсов всех тел в замкнутой системе представляет собой постоянную величину, но только в том случае, воздействующие внешние силы полностью отсутствуют либо векторная сумма была приравнена к нулю. Безусловно, в природе замкнутых систем не существует. Если внешние силы воздействовали на тела в течение короткого промежутка времени, то в такой ситуации можно оставить всё без изменений, а саму систему рассматривать как замкнутую.

Основополагающие моменты

На нашей планете не существует замкнутых систем. Но если суммарные действия внешних сил меньше минимума (к примеру: во время взрыва), то имеющимся воздействием внешних сил предпочитают пренебрегать, из-за чего система приобретает статус замкнутой. Эксперты также придерживаются того мнения, что если воздействие внешних сил всё же присутствует, но итоговая их сумма проекций на одну из координатных осей равна нулю, то в этом направлении закон сохранения образуемых импульсов остаётся актуальным.

Талантливый учёный Исаак Ньютон в своё время изобрёл действительно отличное приспособление, которое как можно лучше демонстрирует сохранность импульса — маятник (колыбель). Это устройство представляет собой небольшую конструкцию, состоящую из 5 одинаковых металлических шаров, каждый из которых прикреплён к каркасу при помощи двух тросов. Основание имеет своеобразную П-образную форму.

Объясняется это явление тем, что он совершает логическое движение с посланной ему скоростью, но так как итоговое расстояние слишком маленькое, ему просто не удаётся должным образом разогнаться. Но он может передать свой импульс уже третьему шарику и в итоге на время остановиться. Совершенно иная ситуация возникает в случае с последним шаром, так как у него нет возможности выполнить упругий удар и передать свой импульс, из-за чего он просто свободно колеблется.

Сущность реактивного движения

Из имеющихся данных может легко определяться скорость ракеты С после истечения газов. Все действия происходят в соответствии с формулой: С= mn /А. Ранее рассмотренная формула для пушки с ядром не является актуальной в этом случае, так как она может дать только приблизительные цифры. Всё дело в том, что основная масса газов выходит из специального сопла не сразу, а постепенно.

Масса ракеты в конкретный момент времени (t) равна А, а само устройство движется со скоростью v. В течение определённого промежутка времени ? t из сопел ракеты постепенно выбрасывается газ небольшими порциями с относительной скоростью n. Через некоторое время? t ракета начнёт двигаться со скоростью v +? v. А вот масса устройства станет равной А — ?А. Решение задачи будет выглядеть следующим образом:

(А-?А)*(v +? v) — импульс ракеты в момент t + ? t.
?А*(v + n) — импульс реактивных газов.
A v = (А−ΔА) ⋅ (v+Δv) + ΔА ⋅ (v+ ? n) — формула, которая соответствует изучаемому закону.
А Δ v / Δ t = Δ А ⋅ n Δ t (Δ t → 0).
Aa = − μ u.

В этом случае символом μ μ обозначаем расход задействованного топлива за отведённый промежуток времени. А вот для указания реактивной силы тяги используется сочетание μ u. Направление этой силы максимально совпадает с выбранным направлением движения ракеты. Для расчёта конечной скорости устройства принято использовать формулу: v = nlh (A 0 / A).

Стоит отметить, что

современное ракетостроение шагнуло далеко вперёд, благодаря чему специалисты стремятся развиваться в сторону универсальных многоступенчатых ракет. Своевременный сброс отсеков с уже отработанным топливом позволяет существенно снизить массу агрегата и тем самым максимально оптимизировать дальнейший расход газа для полноценного разгона.

Особенности применения физического явления

Закон сохранения момента импульса весьма удивителен, так как это физическое явление встречается даже в утончённом фигурном катании. А всё дело в том, что раскинув руки в разные стороны и заводя свободную ногу, фигуриста сообщает себе медленное вращение вокруг вертикальной оси. Если резко сгруппироваться, то момент инерции будет снижен, а также произойдёт приращение угловой скорости. Но если ось вращения является свободной, то это не может означать, что в инерциальной системе отсчёта сохраняется прежнее направление угловой скорости.

Если внимательно следить за действиями жонглёра, то в итоге можно заметить, что он передаёт всем подбрасываемым предметам импульс. Только в этом они возвращаются ему в том же положении, которое им было придано изначально. Сохранность импульса важна даже в сфере оружия, так как нарезное орудие даёт большую дальность, нежели гладкоствольное изделие. Выпущенный в один момент артиллерийский снаряд вращается вокруг своей продольной оси, из-за чего его полёт является максимально устойчивым.

Способность сохранять созданный импульс занимает в физике почётное место, так как именно на этом понятии построены фундаментальные законы природы. Если следовать теореме Эмми Нётер, то можно понять, что каждому закону обязательно ставится в соответствие определённая симметрия уравнений, описывающих эту систему. Изучаемый закон эквивалентен однородности пространства. Самый элементарный вывод этого утверждения базируется на применении лагранжева подхода.

Читайте также: