Как найти изменение импульса пули

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах. 

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте. 

Как быстро и эффективно исправить почерк?  Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью. 

Определение

Импульс тела — векторная физическая величина, обозначаемая как p и равная произведению массы тела на его скорость:

p = mv

Единица измерения импульса — килограмм на метр в секунду (кг∙м/с).

Направление импульса всегда совпадает с направлением скорости (p↑↓v), так как масса — всегда положительная величина (m > 0).

Пример №1. Определить импульс пули массой 10 г, вылетевшей со скоростью 300 м/с. Сопротивлением воздуха пренебречь.

Импульс пули есть произведение массы на ускорение. Прежде чем выполнить вычисления, нужно перевести единицы измерения в СИ:

10 г = 0,01 кг

Импульс равен:

p = mv = 0,01∙300 = 3 (кг∙м/с)

Относительный импульс

Определение

Относительный импульс — векторная физическая величина, равная произведению массы тела на относительную скорость:

p_1отн2 = m₁v_1отн2 = m₁(v₁ – v₂)

p_1отн2 — импульс первого тела относительно второго, m₁ — масса первого тела, v_1отн2 — скорость первого тела относительно второго, v₁ и v₂ — скорости первого и второго тела соответственно в одной и той же системе отсчета.

Пример №2. Два автомобиля одинаковой массы (15 т) едут друг за другом по одной прямой. Первый — со скоростью 20 м/с, второй — со скоростью 15 м/с относительно Земли. Вычислите импульс первого автомобиля в системе отсчета, связанной со вторым автомобилем.

Сначала переведем единицы измерения в СИ:

15 т = 15000 кг

p_1отн2 = m₁(v₁ – v₂) = 15000(20 – 15) = 75000 (кг∙м/с) = 75∙10³ (кг∙м/с)

Изменение импульса тела

ОпределениеИзменение импульса тела — векторная разность между конечным и начальным импульсом тела:

∆p = p – p₀ = p + (– p₀)

∆p — изменение импульса тела, p — конечный импульс тела, p₀ — начальный импульс тела

Частные случаи определения изменения импульса тела

Абсолютно неупругий удар
	Конечная скорость после удара: v = 0. Конечный импульс тела: p = 0. Модуль изменения импульса тела равен модулю его начального импульса: ∆p = p0.
Абсолютно упругий удар
	Модули конечной и начальной скоростей равны: v = v0. Модули конечного и начального импульсов равны: p = p0. Модуль изменения импульса тела равен удвоенному модулю начального (конечного) импульса: ∆p = 2p0 = 2p.
Пуля пробила стенку
	Модуль изменения импульса тела равен разности модулей начального и конечного импульсов: ∆p = p0 – p = m(v0 – v)
Радиус-вектор тела повернул на 180 градусов
	Модуль изменения импульса тела равен удвоенному модулю начального (конечного) импульса: ∆p = 2p0 = 2p = 2mv0
Абсолютно упругое отражение от горизонтальной поверхности под углом α к нормали
	Модули конечной и начальной скоростей равны: v = v0. Модули конечного и начального импульсов равны: p = p0. Угол падения равен углу отражения: α = α’ Модуль изменения импульса в этом случае определяется формулой:

Пример №3. Шайба абсолютно упруго ударилась о неподвижную стену. При этом направление движения шайбы изменилось на 90 градусов. Импульс шайбы перед ударом равен 1 кг∙м/с. Чему равен модуль изменения импульса шайбы в результате удара? Ответ округлите до десятых.

В данном случае 90 градусов и есть 2α (угол между векторами начального и конечного импульсов), в то время как α — это угол между вектором импульса и нормалью. Учтем, что при абсолютно упругом отражении модули конечного и начального импульсов равны.

Вычисляем:

Второй закон Ньютона в импульсном виде

Второй закон Ньютона говорит о том, что ускорение тела прямо пропорционально силе, действующей на него. Записывается он так:

Но ускорение определяется отношением разности конечной и начальной скоростей ко времени, в течение которого менялась скорость:

Подставим это выражение во второй закон Ньютона и получим:

Или:

F∆t — импульс силы, ∆p — изменение импульса тела

Пример №4. Тело движется по прямой в одном направлении. Под действием постоянной силы за 3 с импульс тела изменился на 6 кг∙м/с. Каков модуль силы?

Из формулы импульса силы выразим модуль силы:

Реактивное движение

Определение

Реактивное движение — это движение, которое происходит за счет отделения от тела с некоторой скоростью какой-либо его части. В отличие от других видов движения реактивное движение позволяет телу двигаться и тормозить в безвоздушном пространстве, достигать первой космической скорости.

Ракета представляет собой систему двух тел: оболочки массой M и топлива массой m. v — скорость выброса раскаленных газов. ∆m/∆t — расход реактивного топлива, V — скорость ракеты.

Второй закон Ньютона в импульсном виде:

Реактивная сила:

Второй закон Ньютона для ракеты:

Пример №5. Космический корабль массой 3000 кг начал разгон в межпланетном пространстве, включив реактивный двигатель. Из сопла двигателя каждую секунду выбрасывается 3 кг горючего газа со скоростью 600 м/с. Какой будет скорость корабля через 20 секунд после разгона? Изменением массы корабля во время разгона пренебречь. Принять, что поле тяготения, в котором движется корабль, пренебрежимо мало.

Корабль начинает движение из состояния покоя. Поэтому скорость будет равна:

V = a∆t

Выразим ускорение из второго закона Ньютона для ракеты:

Изменение импульса определяется произведением суммарной массы выброшенного горючего на скорость его выброса. Так как мы знаем, сколько выбрасывалось горючего каждую секунду, формула примет вид:

Отсюда ускорение равно:

Выразим формулу для скорости и сделаем вычисления:

Суммарный импульс системы тел

Определение

Суммарный импульс системы тел называется полным импульсом системы. Он равен векторной сумме импульсов всех тел, которые входят в эту систему:

Пример №6. Найти импульс системы, состоящей из двух тел. Векторы импульсов этих тел указаны на рисунке.

Между векторами прямой угол (его косинус равен нулю). Модуль первого вектора равен 4 кг∙м/с (т.к. занимает 2 клетки), а второго — 6 кг∙м/с (т.к. занимает 3 клетки). Отсюда:

Закон сохранения импульса

Закон сохранения импульсаПолный импульс замкнутой системы сохраняется:

Левая часть выражения показывает векторную сумму импульсов системы, состоящей из двух тел, до их взаимодействия. Правая часть выражения показывает векторную сумму этой системы после взаимодействия тел, которые в нее входят.

Закон сохранения импульса в проекции на горизонтальную ось

Если до и после столкновения скорости тел направлены вдоль горизонтальной оси, то закон сохранения импульса следует записывать в проекциях на ось ОХ. Нельзя забывать, что знак проекции вектора:

Важно!

При неупругом столкновении двух тел, движущихся навстречу друг другу, скорость совместного движения будет направлена в ту сторону, куда до столкновения двигалось тело с большим импульсом.

Частные случаи закона сохранения импульса (в проекциях на горизонтальную ось)

Неупругое столкновение с неподвижным телом	m1v1 = (m1 + m2)v
Неупругое столкновение движущихся тел	± m1v1 ± m2v2 = ±(m1 + m2)v
В начальный момент система тел неподвижна	0 = m1v’1 – m2v’2
До взаимодействия тела двигались с одинаковой скоростью	(m1 + m2)v = ± m1v’1 ± m2v’2

Сохранение  проекции импульса

В незамкнутых системах закон сохранения импульса выполняется частично. Например, если из пушки под некоторым углом α к горизонту вылетает снаряд, то влияние силы реакции опоры не позволит орудию «уйти под землю». В момент отдачи оно будет откатываться от поверхности земли.

Пример №7. На полу лежит шар массой 2 кг. С ним сталкивается шарик массой 1 кг со скоростью 2 м/с. Определить скорость первого шара при условии, что столкновение было неупругим.

Если столкновение было неупругим, скорости первого и второго тел после столкновения будут одинаковыми, так как они продолжат двигаться совместно. Используем для вычислений следующую формулу:

m₂v₂ = (m₁ + m₂)v

Отсюда скорость равна:

Алиса Никитина | Просмотров: 20.2k

Пуля 22-го калибра имеет массу всего 2 г. Если кому-нибудь бросить такую пулю, то он легко сможет поймать ее даже без перчаток. Если же попытаться поймать такую пулю, вылетевшую из дула со скоростью 300 м/с, то даже перчатки тут не помогут.

Если на тебя катится игрушечная тележка, ты сможешь остановить ее носком ноги. Если на тебя катится грузовик, следует уносить ноги с его пути.

Импульс это векторная величина, которая определяется по формуле

Импульс служит мерой того, насколько велика должна быть сила, действующая в течение определенного времени, чтобы остановить или разогнать его с места до данной скорости. Направление вектора импульса всегда совпадает с направлением вектора скорости.

Если тело покоится, импульс равен нулю. Ненулевым импульсом обладает любое, движущееся тело. Например, когда мяч покоится, его импульс равен нулю.

После удара он приобретает импульс. Импульс тела изменяется, так как изменяется скорость.

Импульс силы

Это векторная величина, которая определяется по формуле.

Изменение импульса тела равно импульсу равнодействующей всех сил, действующих на тело. Это иная формулировка второго закона Ньютона

Рассмотрим задачу, которая демонстрирует связь импульса силы и изменения импульса тела. Пример. Масса мяча равна 400 г, скорость, которую приобрел мяч после удара – 30 м/с.

Сила, с которой нога действовала на мяч – 1500 Н, а время удара 8 мс. Найти импульс силы и изменение импульса тела для мяча.

[custom_ads_shortcode1]

Изменение импульса тела

Как определить изменение импульса тела? Необходимо найти численное значение импульса в один момент времени, затем импульс через промежуток времени. От второй найденной величины отнять первую. Внимание! Вычитать надо вектора, а не числа. То есть из второго вектора импульса отнять первый вектор. Смотрите вычитание векторов. Пример. Оценить среднюю силу со стороны пола, действующую на мяч во время удара. 1) Во время удара на мяч действуют две силы: сила реакции опоры, сила тяжести.

Сила реакции изменяется в течение времени удара, поэтому возможно найти среднюю силу реакции пола. 2) Изменение импульса тела изображено на рисунке

3) Из второго закона Ньютона.

[custom_ads_shortcode2]

Главное запомнить

1) Формулы импульса тела, импульса силы; 2) Направление вектора импульса; 3) Находить изменение импульса тела

[custom_ads_shortcode3]

Вывод второго закона Ньютона в общем виде

[custom_ads_shortcode1]

График F(t). Переменная сила

Импульс силы численно равен площади фигуры под графиком F(t).

Если же сила непостоянная во времени, например линейно увеличивается F=kt, то импульс этой силы равен площади треугольника. Можно заменить эту силу такой постоянной силой, которая изменит импульс тела на ту же величину за тот же промежуток времени

Средняя равнодействующая сила.

Вам понадобитсяИнструкцияНайдите массу движущегося тела и измерьте скорость его движения. После его взаимодействия с другим телом, у исследуемого тела изменится скорость. В этом случае от конечной скорости (после взаимодействия) отнимите начальную скорость и умножьте разность на массу тела Δp=m∙(v2-v1). Мгновенную скорость измерьте радаром, массу тела – весами. Если после взаимодействия тело начало двигаться в сторону, противоположную той, кода двигалось до взаимодействия, то конечная скорость будет отрицательной. Если изменениеимпульса положительное – он вырос, если отрицательное – уменьшился.

Поскольку причиной изменения скорости любого тела является сила, то она же и является причиной изменения импульса. Чтобы рассчитать изменение импульса любого тела, достаточно найти импульс силы, действовавшей на данное тело в течение некоторого времени. С помощью динамометра измерьте силу, которая заставляет тело изменять скорость, придавая ему ускорение. Одновременно с помощью секундомера измерьте время, которое эта сила действовала на тело. Если сила заставляет тело двигаться быстрее, то считайте ее положительной, если же тормозит его движение – считайте ее отрицательной. Импульс силы, равный изменению импульса будет равен произведению силы на время ее действия Δp=F∙Δt.

Если при взаимодействии тел на них не действуют никакие внешние силы, то по закону сохранения импульса, сумма импульсов тел до и после взаимодействия остается одинаковой, не смотря на то, что импульсы отдельных тел могут изменяться. Например, если в результате выстрела из ружья пуля массой 10 г получила скорость 500 м/с, то ее изменение импульса составит Δp=0,01 кг∙(500 м/с-0 м/с)=5 кг∙ м/с.

Согласно закону сохранения импульса, изменение импульса ружья будет таким же, как и у пули, но противоположным по направлению, поскольку оно после выстрела будет двигаться в сторону противоположную той, куда вылетит пуля. Источники:

• как изменяется масса движущегося тела

Импульс тела (р) – векторная физическая величина, являющаяся мерой механического движения и равная произведению массы тела на скорость: p=mv (кг*м/с). Замкнутая система – совокупность тел, взаимодействующих только мд собой и не взаимодействующих с телами, не входящими в эту систему.

По векторному закону Ньютона: F=mа, но , поэтому: Ft=mv-mv0. Здесь произведение Ft – импульс силы, а ∆р=mv-mv0 – изменение импульса тела. При изменении скорости тела, его импульс меняется. Причиной изменения скорости является др тело. В результате взаимодействия тел, меняются их импульсы.

В замкнутой системе выполняется закон сохранения импульса: векторная сумма импульсов тел замкнутой системы остается неизменной при любых взаимодействиях этих тел друг с другом. Или геометрическая сумма импульсов тел до взаимодействия равна геометрической сумме импульсов тел после взаимодействия: m1v1+m2v2= m1u1+m2u2, m1, 2 – массы сталкивающихся тел, v1, 2 – их скорости до столкновения, u1, 2 – скорости после столкновения.

При абсолютно неупругом ударе тела после взаимодействия представляют одно целое, а часть механической энергии или вся механическая энергия превращается во внутреннюю. При абсолютно упругом ударе полная механическая энергия сохраняется (с какой скоростью тело ударяется о массивную преграду, с такой же и отскакивает под таким же углом).

Работа сил. Консервативные и неконсервативные силы.

Работа – это мера изменения энергии одного тела или системы тел. При прямолинейном движении одной материальной точки и постоянном значении приложенной к ней силы работа (этой силы) равна произведению величины проекции вектора силы на направление движения и величины совершённого перемещения: или если сила не постоянна, то в этом случае она вычисляется как интеграл Консервативные силы – силы поля, работа которых над частицей не зависит от траектории движения частицы. Работа сил по замкнутому пути = 0: работа в дальнюю тчк имеет знак противоположный знаку работы назад в исходную тчк и эти работы по модулю равны. Силы, действующие на частицу в центральном поле и однородном стационарном поле консервативны.

Неконсервативные: сила трения, ее направление всегда противоположно скорости частицы, работа этой силы всегда отрицательна, накапливается при любом движении и никогда не обратиться в 0. Мощность.

Мо́щность — физическая величина, равная отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени. Различают среднюю мощность за промежуток времени :

и мгновенную мощность в данный момент времени:

Так как работа является мерой изменения энергии, мощность можно определить также как скорость изменения энергии системы.

Если на движущееся тело действует сила, то эта сила совершает работу. Мощность в этом случае равна скалярному произведению вектора силы на вектор скорости, с которой движется тело .

Кинетическая и потенциальная энергия. Энергией называется физическая величина, измеряемая работой, которую может совершить тело или система тел. Энергия, как и работа, измеряется в джоулях.

К механической энергии относятся: потенциальная энергия тяготения , потенциальная энергия деформированных тел кинетическая энергия движущихся тел Закон сохранения механической энергии.

Переход механической энергии из одного вида в другой подчиняется закону сохранения механической энергии: в изолированной системе тел, между которыми действуют лишь силы тяготения и упругости, механическая энергия остается неизменной. Механическая энергия тела в процессе его движения не меняется. По мере падения тела его потенциальная энергия будет уменьшаться, но зато будет возрастать кинетическая энергия.

Теоремы об изменении энергии. Изменение кинетической энергии равно работе совершённой всеми силами. Изменение механической энергии замкнутой системы равно работе неконсервативных сил.

Закон всемирного тяготения.

Закон: сила, с которой 2 материальные точка притягивают друг друга, пропорциональна массам этих точка и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: – коэффициент пропорциональности, гравитационная постоянная; сила направлена вдоль прямой, проходящей через взаимодействующие точка. В векторном виде силу, с которой вторая мат точка притягивает к себе первую: , – единичный вектор с направлением от 1 к 2. Определение силы взаимодействия протяженных тел: – расстояние между элементарными массами. Сила, действующая со стороны тела 2 на принадлежащую телу 1 элементарную массу . Сила, с которой тело 2 действует на тело 1: .

Размерность гравитационной пост: Упругий и неупругий удары.

Уда́р — толчок, кратковременное взаимодействие тел, при котором происходит перераспределение кинетической энергии. Абсолютно упругий удар — модель соударения, при которой полная кинетическая энергия системы сохраняется. Абсолю́тно неупру́гий удар — удар, в результате которого компоненты скоростей тел, нормальные площадке касания, становятся равными. Если удар был центральным (скорости были перпендикулярны касательной плоскости), то тела соединяются и продолжают дальнейшее своё движение как единое тело.

Момент инерции. Момент инерции – это мера инертности тела при вращательном движении. Зависит от распределения массы относительно оси вращения. Момент инерции сложного тела равен сумме моментов инерции его составных частей.

Произведение массы точки на квадрат ее расстояния до оси назовем моментом инерции материальной точки относительно оси:. Единица момента инерции в СИ — кг. м2.

Твердое тело мы можем рассматривать как совокупность частиц с массами , расположенных на расстояниях от оси вращения. Момент инерции твердого тела сумма моментов инерции составляющих его частиц:

Для разных осей вращения момент инерции одного и того же тела различен. Если известен момент инерции I0 относительно любой оси, проходящей через центр масс тела, то для расчета момента инерции I этого тела относительно другой оси, параллельной первой и отстоящей от нее на расстоянии d, используется соотношение, известное как теорема Штейнера: .

ОбручОсь вращения проходит через центр обруча перпендикулярно плоскости обручаМомент инерции равен mR2Диск (цилиндр)Ось вращения проходит через центр диска перпендикулярно плоскости дискаМомент инерции равен 0,5mR2ДискОсь вращения проходит через центр диска вдоль его диаметраМомент инерции равен 0,25mR2ШарОсь вращения проходит через центр шараМомент инерции равен 0,4mR2Стержень длиной 1Ось вращения проходит через середину тонкого стержня перпендикулярно емуМомент инерции равен 1/12 ml2Момент силы.

Момент силы – векторная величина. Для нахождения ее направления вектора r и F необходимо изобразить исходящими из одной точки и связать с ними правый винт. Затем головку правого винта нужно вращать от r к F. Направление движения винта будет совпадать с вектором M.

Величина вектора момента сил равна: M = r·F·sin(a) = F·R, где R = r·sin(a) – плечо силы, равное кратчайшему расстоянию между осью вращения и линией действия силы. Моментом силы относительно произвольной оси Z, проходящей через точку О, в которой закреплено твердое тело, называется величина, равная проекции вектора M на эту ось.

Основу динамики, как Вам уже известно, из курса физики средней школы, составляют три закона Ньютона. Первый закон Ньютона:

Существуют системы отсчета, в которых свободная материальная точка (тело) движется равномерно и прямолинейно или покоится. Такие системы отсчета называют инерциальными. Материальная точка (тело) называется свободной, если внешние воздействия компенсируют друг друга.

Инерциальной является гелиоцентрическая система отсчета, связанная с Солнцем и тремя звездами, направления на которые взаимно перпендикулярны (это можно установить опытным путем). Всякая другая система, которая движется равномерно и прямолинейно или покоится относительно гелиоцентрической, тоже инерциальна. Система отсчета, связанная с Землей, не является инерциальной, потому что Земля вращается вокруг собственной оси и вокруг Солнца, но при изучении законов динамики неинерциальностью земной (геоцентрической) системы можно пренебречь.

Второй закон НьютонаХотя второй закон Ньютона традиционно записывают в виде: , сам Ньютон записывал его несколько иначе.

Второй закон Ньютона в современной формулировке звучит так: в инерциальной системе отсчета скорость изменения импульса материальной точки равна векторной сумме всех сил, действующих на эту точку. где − импульс материальной точки, − суммарная сила, действующая на материальную точку. Второй закон Ньютона гласит, что действие несбалансированных сил приводит к изменению импульса материальной точки.[9]По определению импульса:

где − масса, − скорость.

По правилу нахождения производной произведения: Если масса материальной точки остается неизменной, то производная по времени от массы равна нулю, и уравнение принимает вид:

Учитывая определение ускорения точки, второй закон Ньютона принимает вид:

Считается, что это «вторая самая известная формула в физике», хотя сам Ньютон никогда явным образом не записывал свой второй закон в этом виде.

Поскольку в любой инерциальной системе отсчёта ускорение тела одинаково и не меняется при переходе от одной системы к другой, то и сила инвариантна по отношению к такому переходу.

Во всех явлениях природы сила, независимо от своего происхождения, проявляется только в механическом смысле, то есть как причина нарушения равномерного и прямолинейного движения тела в инерциальной системе координат. Обратное утверждение, т.е установление факта такого движения, не свидетельствует об отсутствии действующих на тело сил, а лишь о том, что действия этих сил взаимно уравновешиваются. Иначе: их векторная сумма есть вектор с модулем, равным нулю. На этом основано измерение величины силы, когда она компенсируется силой, величина которой известна.

Второй закон Ньютона позволяет измерять величину силы. Например, знание массы планеты и ее центростремительного ускорения при движении по орбите позволяет вычислить величину силы гравитационного притяжения, действующую на эту планету со стороны Солнца.

Третий закон НьютонаДля любых двух тел (назовем их тело 1 и тело 2) третий закон Ньютона утверждает, что сила действия тела 1 на тело 2, сопровождается появлением равной по модулю, но противоположной по направлению силы, действующей на тело 1 со стороны тела 2.[12] Математически закон записывается так:

Этот закон означает, что силы всегда возникают парами «действие-противодействие». Если тело 1 и тело 2 находятся в одной системе, то суммарная сила в системе, обусловленная взаимодействием этих тел равна нулю:

Это означает, что в замкнутой системе не существует несбалансированных внутренних сил. Это приводит к тому, что центр масс замкнутой системы (то есть той, на которую не действуют внешние силы) не может двигаться с ускорением. Отдельные части системы могут ускоряться, но лишь таким образом, что система в целом остается в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Однако в том случае, если внешние силы подействуют на систему, то ее центр масс начнет двигаться с ускорением, пропорциональным внешней результирующей силе и обратно пропорциональным массе системы.

Основной закон динамики вращательного движения:

 или M=Je , где М – момент силы M=[ r · F ] ,

J -момент инерции•-момент импульса тела.

если М (внешн)=0 – закон сохранения момента импульса.

кинетическая энергия вращающегося тела.

 работа при вращательном движении.

Момент инерции — скалярная физическая величина, мера инертности тела во вращательном движении вокруг оси, подобно тому, как масса тела является мерой его инертности в поступательном движении. Характеризуется распределением масс в теле: момент инерции равен сумме произведений элементарных масс на квадрат их расстояний до базового множества (точки, прямой или плоскости).

Единица измерения СИ: кг·м². Обозначение: I или J.

Различают несколько моментов инерции — в зависимости от многообразия, от которого отсчитывается расстояние точек. Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источники:

• fizmat.by
• www.kakprosto.ru
• infopedia.su
• studopedia.ru

I. Механика

Тестирование онлайн

Импульс тела

Пуля 22-го калибра имеет массу всего 2 г. Если кому-нибудь бросить такую пулю, то он легко сможет поймать ее даже без перчаток. Если же попытаться поймать такую пулю, вылетевшую из дула со скоростью 300 м/с, то даже перчатки тут не помогут.

Если на тебя катится игрушечная тележка, ты сможешь остановить ее носком ноги. Если на тебя катится грузовик, следует уносить ноги с его пути.

Импульс это векторная величина, которая определяется по формуле

Импульс служит мерой того, насколько велика должна быть сила, действующая в течение определенного времени, чтобы остановить или разогнать его с места до данной скорости.

Направление вектора импульса всегда совпадает с направлением вектора скорости.

Если тело покоится, импульс равен нулю. Ненулевым импульсом обладает любое, движущееся тело. Например, когда мяч покоится, его импульс равен нулю. После удара он приобретает импульс. Импульс тела изменяется, так как изменяется скорость.

Импульс силы

Это векторная величина, которая определяется по формуле

Изменение импульса тела равно импульсу равнодействующей всех сил, действующих на тело. Это иная формулировка второго закона Ньютона

Рассмотрим задачу, которая демонстрирует связь импульса силы и изменения импульса тела.

Пример. Масса мяча равна 400 г, скорость, которую приобрел мяч после удара — 30 м/с. Сила, с которой нога действовала на мяч — 1500 Н, а время удара 8 мс. Найти импульс силы и изменение импульса тела для мяча.

Изменение импульса тела

Как определить изменение импульса тела? Необходимо найти численное значение импульса в один момент времени, затем импульс через промежуток времени. От второй найденной величины отнять первую. Внимание! Вычитать надо вектора, а не числа. То есть из второго вектора импульса отнять первый вектор. Смотрите вычитание векторов.

Пример. Оценить среднюю силу со стороны пола, действующую на мяч во время удара.

1) Во время удара на мяч действуют две силы: сила реакции опоры, сила тяжести.

Сила реакции изменяется в течение времени удара, поэтому возможно найти среднюю силу реакции пола.

2) Изменение импульса тела изображено на рисунке

3) Из второго закона Ньютона

Главное запомнить

1) Формулы импульса тела, импульса силы;
2) Направление вектора импульса;
3) Находить изменение импульса тела

Вывод второго закона Ньютона в общем виде

График F(t). Переменная сила

Импульс силы численно равен площади фигуры под графиком F(t).

Если же сила непостоянная во времени, например линейно увеличивается F=kt, то импульс этой силы равен площади треугольника. Можно заменить эту силу такой постоянной силой, которая изменит импульс тела на ту же величину за тот же промежуток времени

Импульс тела, закон сохранения импульса

теория по физике 🧲 законы сохранения

Импульс тела — векторная физическая величина, обозначаемая как p и равная произведению массы тела на его скорость:

Единица измерения импульса — килограмм на метр в секунду (кг∙м/с).

Направление импульса всегда совпадает с направлением скорости ( p ↑↓ v ), так как масса — всегда положительная величина (m > 0).

Пример №1. Определить импульс пули массой 10 г, вылетевшей со скоростью 300 м/с. Сопротивлением воздуха пренебречь.

Импульс пули есть произведение массы на ускорение. Прежде чем выполнить вычисления, нужно перевести единицы измерения в СИ:

p = mv = 0,01∙300 = 3 (кг∙м/с)

Относительный импульс

Относительный импульс — векторная физическая величина, равная произведению массы тела на относительную скорость:

p _1отн2— импульс первого тела относительно второго, m₁ — масса первого тела, v _1отн2 — скорость первого тела относительно второго, v ₁и v ₂ — скорости первого и второго тела соответственно в одной и той же системе отсчета.

Пример №2. Два автомобиля одинаковой массы (15 т) едут друг за другом по одной прямой. Первый — со скоростью 20 м/с, второй — со скоростью 15 м/с относительно Земли. Вычислите импульс первого автомобиля в системе отсчета, связанной со вторым автомобилем.

Сначала переведем единицы измерения в СИ:

Изменение импульса тела

∆ p — изменение импульса тела, p — конечный импульс тела, p ₀ — начальный импульс тела

Частные случаи определения изменения импульса тела

Абсолютно неупругий удар

Конечный импульс тела:

Модуль изменения импульса тела равен модулю его начального импульса:

Абсолютно упругий удар

Модули конечной и начальной скоростей равны:

Модули конечного и начального импульсов равны:

Модуль изменения импульса тела равен удвоенному модулю начального (конечного) импульса:

Пуля пробила стенку

Модуль изменения импульса тела равен разности модулей начального и конечного импульсов:

Радиус-вектор тела повернул на 180 градусов

Модуль изменения импульса тела равен удвоенному модулю начального (конечного) импульса:

Абсолютно упругое отражение от горизонтальной поверхности под углом α к нормали

Модули конечной и начальной скоростей равны:

Модули конечного и начального импульсов равны:

Угол падения равен углу отражения:

Модуль изменения импульса в этом случае определяется формулой:

Пример №3. Шайба абсолютно упруго ударилась о неподвижную стену. При этом направление движения шайбы изменилось на 90 градусов. Импульс шайбы перед ударом равен 1 кг∙м/с. Чему равен модуль изменения импульса шайбы в результате удара? Ответ округлите до десятых.

В данном случае 90 градусов и есть 2α (угол между векторами начального и конечного импульсов), в то время как α — это угол между вектором импульса и нормалью. Учтем, что при абсолютно упругом отражении модули конечного и начального импульсов равны.

Вычисляем:

Второй закон Ньютона в импульсном виде

Второй закон Ньютона говорит о том, что ускорение тела прямо пропорционально силе, действующей на него. Записывается он так:

Но ускорение определяется отношением разности конечной и начальной скоростей ко времени, в течение которого менялась скорость:

Подставим это выражение во второй закон Ньютона и получим:

F ∆t — импульс силы, ∆ p — изменение импульса тела

Пример №4. Тело движется по прямой в одном направлении. Под действием постоянной силы за 3 с импульс тела изменился на 6 кг∙м/с. Каков модуль силы?

Из формулы импульса силы выразим модуль силы:

Реактивное движение

Реактивное движение — это движение, которое происходит за счет отделения от тела с некоторой скоростью какой-либо его части. В отличие от других видов движения реактивное движение позволяет телу двигаться и тормозить в безвоздушном пространстве, достигать первой космической скорости.

Ракета представляет собой систему двух тел: оболочки массой M и топлива массой m. v — скорость выброса раскаленных газов. ∆m/∆t — расход реактивного топлива, V — скорость ракеты.

Второй закон Ньютона в импульсном виде:

Второй закон Ньютона для ракеты:

Пример №5. Космический корабль массой 3000 кг начал разгон в межпланетном пространстве, включив реактивный двигатель. Из сопла двигателя каждую секунду выбрасывается 3 кг горючего газа со скоростью 600 м/с. Какой будет скорость корабля через 20 секунд после разгона? Изменением массы корабля во время разгона пренебречь. Принять, что поле тяготения, в котором движется корабль, пренебрежимо мало.

Корабль начинает движение из состояния покоя. Поэтому скорость будет равна:

Выразим ускорение из второго закона Ньютона для ракеты:

Изменение импульса определяется произведением суммарной массы выброшенного горючего на скорость его выброса. Так как мы знаем, сколько выбрасывалось горючего каждую секунду, формула примет вид:

Отсюда ускорение равно:

Выразим формулу для скорости и сделаем вычисления:

Суммарный импульс системы тел

Суммарный импульс системы тел называется полным импульсом системы. Он равен векторной сумме импульсов всех тел, которые входят в эту систему:

Пример №6. Найти импульс системы, состоящей из двух тел. Векторы импульсов этих тел указаны на рисунке.

Между векторами прямой угол (его косинус равен нулю). Модуль первого вектора равен 4 кг∙м/с (т.к. занимает 2 клетки), а второго — 6 кг∙м/с (т.к. занимает 3 клетки). Отсюда:

Закон сохранения импульса

Левая часть выражения показывает векторную сумму импульсов системы, состоящей из двух тел, до их взаимодействия. Правая часть выражения показывает векторную сумму этой системы после взаимодействия тел, которые в нее входят.

Закон сохранения импульса в проекции на горизонтальную ось

Если до и после столкновения скорости тел направлены вдоль горизонтальной оси, то закон сохранения импульса следует записывать в проекциях на ось ОХ. Нельзя забывать, что знак проекции вектора:

• положителен, если его направление совпадает с направлением оси ОХ;
• отрицателен, если он направлен противоположно направлению оси ОХ.

При неупругом столкновении двух тел, движущихся навстречу друг другу, скорость совместного движения будет направлена в ту сторону, куда до столкновения двигалось тело с большим импульсом.

Частные случаи закона сохранения импульса (в проекциях на горизонтальную ось)

Неупругое столкновение с неподвижным телом	m1v1 = (m1 + m2)v
Неупругое столкновение движущихся тел	± m1v1 ± m2v2 = ±(m1 + m2)v
В начальный момент система тел неподвижна	0 = m1v’1 – m2v’2
До взаимодействия тела двигались с одинаковой скоростью	(m1 + m2)v = ± m1v’1 ± m2v’2

Сохранение проекции импульса

В незамкнутых системах закон сохранения импульса выполняется частично. Например, если из пушки под некоторым углом α к горизонту вылетает снаряд, то влияние силы реакции опоры не позволит орудию «уйти под землю». В момент отдачи оно будет откатываться от поверхности земли.

Пример №7. На полу лежит шар массой 2 кг. С ним сталкивается шарик массой 1 кг со скоростью 2 м/с. Определить скорость первого шара при условии, что столкновение было неупругим.

Если столкновение было неупругим, скорости первого и второго тел после столкновения будут одинаковыми, так как они продолжат двигаться совместно. Используем для вычислений следующую формулу:

Отсюда скорость равна:

Импульс частицы до столкновения равен − p ₁, а после столкновения равен − p ₂, причём p₁ = p, p₂ = 2p, − p ₁⊥ − p ₂. Изменение импульса частицы при столкновении Δ − p равняется по модулю:

Алгоритм решения

Решение

Запишем исходные данные:

Так как угол α = 90 о , вектор изменения импульса представляет собой гипотенузу треугольника, катами которого являются вектора начального и конечного импульсов. Поэтому изменение импульса можно вычислить по теореме Пифагора:

Δ p = √ p 2 1 + p 2 2

Подставим известные данные:

Δ p = √ p 2 + ( 2 p ) 2 = √ 5 p 2 = p √ 5

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

На рисунке приведён график зависимости проекции импульса на ось Ox тела, движущегося по прямой, от времени. Как двигалось тело в интервалах времени 0–1 и 1–2?

а) в интервале 0–1 не двигалось, а в интервале 1–2 двигалось равномерно

б) в интервале 0–1 двигалось равномерно, а в интервале 1–2 двигалось равноускорено

в) в интервалах 0–1 и 1–2 двигалось равномерно

г) в интервалах 0–1 и 1–2 двигалось равноускорено

Импульс тела

Если на тело массой m за определенный промежуток времени Δ t действует сила F → , тогда следует изменение скорости тела ∆ v → = v 2 → — v 1 → . Получаем, что за время Δ t тело продолжает движение с ускорением:

a → = ∆ v → ∆ t = v 2 → — v 1 → ∆ t .

Основываясь на основном законе динамики, то есть втором законе Ньютона, имеем:

F → = m a → = m v 2 → — v 1 → ∆ t или F → ∆ t = m v 2 → — m v 1 → = m ∆ v → = ∆ m v → .

Изменение импульса

Импульс тела, или количество движения – это физическая величина, равная произведению массы тела на скорость его движения.

Импульс тела считается векторной величиной, которая измеряется в килограмм-метр в секунду ( к г м / с ) .

Импульс силы – это физическая величина, равняющаяся произведению силы на время ее действия.

Импульс относят к векторным величинам. Существует еще одна формулировка определения.

Изменение импульса тела равняется импульсу силы.

При обозначении импульса p → второй закон Ньютона записывается как:

Данный вид позволяет формулировать второй закон Ньютона. Сила F → является равнодействующей всех сил, действующих на тело. Равенство записывается как проекции на координатные оси вида:

F x Δ t = Δ p x ; F y Δ t = Δ p y ; F z Δ t = Δ p z .

Рисунок 1 . 16 . 1 . Модель импульса тела.

Изменение проекции импульса тела на любую из трех взаимно перпендикулярных осей равно проекции импульса силы на эту же ось.

Одномерное движение – это движение тела по одной из координатный осей.

На примере рассмотрим свободное падение тела с начальной скоростью v 0 под действием силы тяжести за промежуток времени t . При направлении оси O Y вертикально вниз импульс силы тяжести F т = mg , действующий за время t , равняется m g t . Такой импульс равняется изменению импульса тела:

F т t = m g t = Δ p = m ( v – v 0 ) , откуда v = v 0 + g t .

Запись совпадает с кинематической формулой определения скорости равноускоренного движения. По модулю сила не изменяется из всего интервала t . Когда она изменяема по величине, тогда формула импульса требует подстановки среднего значения силы F с р из временного промежутка t . Рисунок 1 . 16 . 2 показывает, каким образом определяется импульс силы, которая зависит от времени.

Рисунок 1 . 16 . 2 . Вычисление импульса силы по графику зависимости F ( t )

Необходимо выбрать на временной оси интервал Δ t , видно, что сила F ( t ) практически неизменна. Импульс силы F ( t ) Δ t за промежуток времени Δ t будет равняться площади заштрихованной фигуры. При разделении временной оси на интервалы на Δ t i на промежутке от от 0 до t , сложить импульсы всех действующих сил из этих промежутков Δ t i _, тогда суммарный импульс силы будет равняться площади образования при помощи ступенчатой и временной осей.

Применив предел ( Δ t i → 0 ) , можно найти площадь, которая будет ограничиваться графиком F ( t ) и осью t . Использование определения импульса силы по графику применимо с любыми законами, где имеются изменяющиеся силы и время. Данное решение ведет к интегрированию функции F ( t ) из интервала [ 0 ; t ] .

Рисунок 1 . 16 . 2 показывает импульс силы, находящийся на интервале от t 1 = 0 с до t 2 = 10 .

Из формулы получим, что F с р ( t 2 — t 1 ) = 1 2 F m a x ( t 2 — t 1 ) = 100 Н · с = 100 к г · м / с .

То есть, из примера видно F с р = 1 2 F m a x = 10 Н .

Определение средней силы

Имеются случаи, когда определение средней силы F с р возможно при известных времени и данных о сообщенном импульсе. При сильной ударе по мячу с массой 0 , 415 к г можно сообщить скорость, равную v = 30 м / с . Приблизительным временем удара является значение 8 · 10 – 3 с .

Тогда формула импульса приобретает вид:

p = m v = 12 , 5 к г · м / с .

Чтобы определить среднюю силу F с р во время удара, необходимо F с р = p ∆ t = 1 , 56 · 10 3 Н .

Получили очень большое значение, которое равняется телу массой 160 к г .

Когда движение происходит по криволинейной траектории, то начальное значение p 1 → и конечное
p 2 → могут быть различны по модулю и по направлению. Для определения импульса ∆ p → применяют диаграмму импульсов, где имеются векторы p 1 → и p 2 → , а ∆ p → = p 2 → — p 1 → построен по правилу параллелограмма.

Для примера приводится рисунок 1 . 16 . 2 , где нарисована схема импульсов мяча, отскакивающего от стены. При подаче мяч с массой m со скоростью v 1 → налетает на поверхность под углом α к нормали и отскакивает со скоростью v 2 → с углом β . При ударе в стену мяч подвергался действию силы F → , направленной также, как и вектор ∆ p → .

Рисунок 1 . 16 . 3 . Отскакивание мяча от шероховатой стенки и диаграмма импульсов.

Если происходит нормальное падение мяча с массой m на упругую поверхность со скоростью v 1 → = v → , тогда при отскоке она изменится на v 2 → = — v → . Значит, за определенный промежуток времени импульс изменится и будет равен ∆ p → = — 2 m v → . Используя проекции на О Х , результат запишется как Δ p x = – 2 m v x . Из рисунка 1 . 16 . 3 видно, что ось О Х направлена от стенки, тогда следует v x 0 и Δ p x > 0 . Из формулы получим, что модуль Δ p связан с модулем скорости, который принимает вид Δ p = 2 m v .

Условие задачи:

Пуля массой 10 г, летевшая со скоростью 400 м/с, пробив доску толщиной 5 см, уменьшила скорость вдвое. Определить среднюю силу сопротивления доски движению пули.

Задача №2.1.27 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

(m=10) г, (upsilon_0=400) м/с, (S=5) см, (upsilon=frac{upsilon_0}{2}), (F-?)

Решение задачи:

Задачу можно решить двумя способами, первый способ более сложный, чем второй, тем не менее они оба укладываются в рамки обычного курса физики.

Первый способ – основан на применении второго закона Ньютона в, так называемом, общем виде.

[F = frac{{Delta p}}{{Delta t}};;;;(1)]

То есть сила сопротивления со стороны доски (F) равна отношению изменения импульса пули (Delta p) ко времени движения пули в доске (Delta t).

Импульс пули равен произведению массы пули на её скорость, тогда изменение импульса пули найти проще простого.

[Delta p = mupsilon  – m{upsilon _0} = mleft( {upsilon  – {upsilon _0}} right)]

Так как по условию скорость пули снизиться в 2 раза, то есть (upsilon=frac{upsilon_0}{2}), то:

[Delta p = mleft( {frac{{{upsilon _0}}}{2} – {upsilon _0}} right) =  – frac{{m{upsilon _0}}}{2}]

Знак “минус” показывает направление действия силы, при подстановке в выражение второго закона Ньютона (самая первая формула) его можно отбрасывать.

Осталось найти время движения пули в доске. Если на пулю действовала какая-то не изменяющаяся во времени (средняя) сила сопротивления (F), то она создала постоянное во времени ускорение (a). Воспользуемся известной формулой кинематики без времени:

[{upsilon ^2} – upsilon _0^2 =  – 2aS]

[frac{{upsilon _0^2}}{4} – upsilon _0^2 =  – 2aS Rightarrow frac{{3upsilon _0^2}}{4} = 2aS Rightarrow a = frac{{3upsilon _0^2}}{{8S}}]

Формула скорости для равнозамедленного движения применительно к этой задаче:

[upsilon {text{ }} = {upsilon _0} – aDelta t]

Так как по условию (upsilon=frac{upsilon_0}{2}), то:

[frac{{{upsilon _0}}}{2} = {upsilon _0} – aDelta t Rightarrow Delta t = frac{{{upsilon _0}}}{{2a}}]

Подставим в последнюю формулу полученное нами выражение для ускорения (a).

[Delta t = frac{{{upsilon _0} cdot 8S}}{{2 cdot 3upsilon _0^2}} = frac{{4S}}{{3{upsilon _0}}}]

В конце концов подставим выражения для изменения импульса и времени в формулу (1).

[F = frac{{m{upsilon _0} cdot 3{upsilon _0}}}{{2 cdot 4S}} = frac{{3mupsilon _0^2}}{{8S}}]

Посчитаем численный ответ, подставив данные задачи (переведя их в систему СИ) в формулу.

[F = frac{{3 cdot 0,01 cdot {{400}^2}}}{{8 cdot 0,05}} = 12000; Н = 12; кН]

Второй способ – для решения задачи применим закон сохранения энергии (или теорему об изменении кинетической энергии, как хотите). До попадания в доску у пули была одна кинетическая энергия, после вылета из доски – другая, но меньшая, вследствие того, что сила сопротивления совершила работу.

Напомним, что кинетическую энергию можно найти как половину произведения массы тела на квадрат скорости, работу силы – как скалярное произведение вектора силы на вектор перемещения.

[ – FS = frac{{m{upsilon ^2}}}{2} – frac{{mupsilon _0^2}}{2}]

[frac{{mupsilon _0^2}}{2} = FS + frac{{m{upsilon ^2}}}{2}]

Не забывайте, что работа силы сопротивления отрицательна, так как вектор силы и вектор перемещения противонаправлены. Так как (upsilon=frac{upsilon_0}{2}), то:

[frac{{mupsilon _0^2}}{2} = FS + frac{{mupsilon _0^2}}{8} Rightarrow F = frac{{3mupsilon _0^2}}{{8S}}]

Как видите, мы получили тот же ответ, но гораздо быстрее. Тем не менее оба способа интересны и достойны запоминания.

Ответ: 12 кН.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Смотрите также задачи:

2.1.26 Два автомобиля массами m и 2m движутся в одном направлении с одинаковыми
2.1.28 Пуля массой 9 г, летевшая со скоростью 600 м/с, попадает в деревянную стену
2.1.29 На тело, движущееся по горизонтальной поверхности, действуют следующие силы