3. Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу. Прояв закону збереження імпульсу в природі і його використання в техніці

1. імпульс тіла . 2. Закон збереження імпульсу . 3. Застосування закону збереження імпульсу . 4. Реактивний рух. . 5. поширені помилки .

Прості спостереження і досліди доводять, що спокій і рух відносні, швидкість тіла залежить від вибору системи відліку; за другим законом Ньютона незалежно від того, чи знаходилася тіло в спокої або рухалося, зміна швидкості його руху може відбуватися тільки під дією сили, т. е. в результаті взаємодії з іншими тілами. Однак існують величини, які можуть зберігатися при взаємодії тел. Такими величинами є енергія і імпульс.

Імпульсом тіла називають векторну фізіче¬скую величину, яка є кількісною характеристикою поступального руху тел. імпульс позначається . Імпульс тіла дорівнює добутку маси тіла на його швидкість: . Напрямок вектора імпульсу р збігається з напрямком вектора швидкості тіла . Одиниця імпульсу - .

Для імпульсу системи тіл виконується закон збереження, який справедливий тільки для замкнених фізичних систем. У загальному випадку замкнутої називають систему, яка не обмінюється енергією і масою з тілами і полями, що не входять в неї. У механіці замкнутої називають систему, на яку не діють зовнішні сили або дія цих сил скомпенсировано. В цьому випадку , де - початковий імпульс системи, а - кінцевий. У разі двох тіл, що входять в систему, цей вислів має вигляд , де - маси тіл, а - швидкості до взаємодії, - швидкості після взаємодії (рис. 4). Ця формула і є математичним виразом закону збереження імпульсу: імпульс замкнутої фізичної системи зберігається при будь-яких взаємодіях, що відбуваються всередині цієї системи. Іншими словами: в замкнутої фізичної системи геометрична сума імпульсів тіл до взаємодії дорівнює геометричній сумі імпульсів цих тіл після взаємодії. У разі незамкненою системи імпульс тіл системи не зберігається. Однак якщо і системі існує напрямок, по якому зовнішні сили не діють або їх дія скомпенсировано, то зберігається проекція імпульсу на цей напрямок. Крім того, якщо час взаємодії мало (постріл, вибух, удар), то за цей час навіть в разі незамкненою системи зовнішні сили незначно змінюють імпульси взаємодіючих тіл. Тому для практичних розрахунків в цьому випадку теж можна застосовувати закон збереження імпульсу.

Експериментальні дослідження взаємодій різних тіл - від планет і зірок до атомів і елементарних частинок - показали, що в будь-якій системі взаємодіючих тіл при відсутності дії з боку інших тіл, що не входять в систему, або рівність нулю суми діючих сил геометрична сума імпульсів тіл дійсно залишається незмінною .

У механіці закон збереження імпульсу і закони Ньютона пов'язані між собою. Якщо на тіло масою протягом часу діє сила і швидкість його руху змінюється від до , То прискорення руху а тіла одно . На підставі другого закону Ньютона для сили можна записати , звідси випливає

.

- векторна фізична величина, що характеризує дію на тіло сили за деякий проміжок часу і дорівнює добутку сили на час її дії, називається імпульсом сили. Одиниця імпульсу сили - .

Закон збереження імпульсу лежить в основі реактивного руху. Реактивний рух - це такий рух тіла, яке виникає після відділення від тіла його частини.

Нехай тіло масою покоїлося. Від тіла відокремилася якась його частина масою зі швидкістю Тоді решта прийде в рух в протилежну сторону зі швидкістю , Маса решти . Дійсно, сума імпульсів обох частин тіла до відділення дорівнювала нулю і після поділу буде дорівнює нулю:

, звідси .

Велика заслуга в розвитку теорії реактивного руху належить К. Е. Ціолковського.

Він розробив теорію польоту тіла змінної маси (ракети) в однорідному полі тяжіння і розрахував запаси палива, необхідні для подолання сили земного тяжіння; основи теорії жід¬костного реактивного двигуна, а також елементи його конструкції; теорію багатоступеневих ракет, причому запропонував два варіанти: паралельний (кілька реактивних двигунів працюють одночасно) і послідовний (реактивні двигуни працюють один за одним). К. Е. Ціолковський суворо науково довів можливість польоту в космос за допомогою ракет з рідинним реактивним двигуном, запропонував спеціальні траєкторії посадки космічних апаратів на Землю, висунув ідею створення міжпланетних орбітальних станцій і детально розглянув умови життя і життєзабезпечення на них. Технічні ідеї Ціолковського знаходять застосування при створенні сучасної ракетно-космічної техніки. Рух за допомогою реактивного струменя згідно із законом збереження імпульсу лежить в основі гідрореактівного двигуна. В основі руху багатьох морських молюсків (восьминогів, медуз, кальмарів, каракатиць) також лежить реактивний принцип.

поширені помилки

1. Чи зустрічалися абітурієнти, хто десятиліттями допускав грубу помилку при поясненні принципу дії реактивного двигуна. Вони стверджували, що рух реактивного літака обумовлено взаємодією викидаються газів і повітря: літак діє на повітря, а повітря, відповідно до третього закону Ньютона, - на літак, в результаті чого він рухається. Це, звичайно, не так. Дійсно причиною руху реактивного літака є взаємодія стікали з сопла газів, які утворюються при згорянні палива. За рахунок великого тиску в камері згоряння ці гази набувають певний імпульс, тому, відповідно до закону збереження імпуьса, літак отримує такий же по модулю, але протилежний за направленням імпульс. Так що літак не відштовхується від повітря. Навпаки, атмосферне повітря є лише перешкодою руху літака.

2. Деякий учні не можуть дати повну та правильну відповідь на запитання: в какіз випадках можна застосовувати закон збереження імпульсу. Корисно запам'ятати такі критерії його застосовності:

1. система тел замкнута, тобто на тіла цієї системи не діють зовнішні сили;
2. на тіла системи діють зовнішні сили, але їх векторна сума дорівнює нулю
3. система не замкнута, але сума проекцій всіх зовнішніх сил на будь-яку координатну вісь дорівнює нулю; тоді залишається постійною і сума проекцій імпульсів всіх тіл системи на цю вісь.
4. час взаємодії тіл мало (наприклад, час удару, пострілу, вибуху); в цьому випадку імпульсаом зовнішніх сил можна знехтувати і розглядати систему як замкнуту.