Bevaring Av Momentum

Bevaring av momentum er en av de viktigste lovene i fysikk og underbygger mange fenomener i klassisk mekanikk.

Momentum, vanligvis betegnet med bokstaven p, er produktet av masse m og hastighet v. prinsippet om momentum bevaring sier at et objekts endring i momentum, eller Δ, er null forutsatt at ingen netto ekstern kraft påføres.

Omvendt resulterer bruk av en netto ekstern kraft, Eller f netto, over en tidsperiode i en endring i momentum for det objektet. Fenomenet momentumbevaring kan også brukes på en samling objekter, noe som gjør det nyttig for å studere kollisjonens fysikk.

målet med dette eksperimentet er å teste prinsippet om bevaring av momentum ved å observere kollisjoner mellom bevegelige objekter.

før vi drar inn i laboratorieeksperimentet, la oss studere de grunnleggende prinsippene for momentumbevarelse. Newtons bevegelseslover er sentrale for å forstå prinsippet om momentum bevaring. For mer informasjon, vennligst se JoVE ‘ S Science Education video: Newtons Bevegelseslover.

begrepene momentum kan illustreres ved hjelp av en køball på et biljardbord. Newtons andre lov sier at en netto kraft påført av en køp gir en akselerasjon a til en køball med masse m. Akselerasjon er endringen i hastighet v over tid t. Så, hvis vi flytter tid til den andre siden av ligningen, blir vi igjen med Δ, eller endringen i momentum Δ. Derfor gir netto kraft opphav til en endring i momentum.

Merk at m i denne ligningen vanligvis er konstant, så endringen i momentum er avhengig av forskjellen i hastigheter ved de endelige og innledende referansepunktene. Og siden hastighet er en vektormengde, tilskrives et positivt eller negativt tegn sin verdi som indikerer bevegelsesretningen.

i køballeksemplet er starthastigheten ved punkt a-betegnet av vA i denne ligningen-null. Mens den endelige hastigheten Ved Punkt B er positiv. Dermed er momentumendringen positiv på grunn av netto kraft påført av pinnen. Deretter, når ballen beveger seg Fra Punkt B Til Punkt C, forutsatt at det ikke er noen eksterne krefter som virker på ballen som friksjon eller luftmotstand, Ville Δ være null.

merk at momentum kun kan bevares i et isolert system-et system upåvirket av netto ytre krefter.

nå, Når køballen beveger seg fra punkt C og treffer siden av bordet ved punkt D, blir dens endelige hastighet null. Dermed blir momentumendringen negativ mens den beholder samme størrelse som når ballen ble rammet av køp. Til slutt, når køballen returer av veggen, er dens endelige hastighet ved punkt E negativ på grunn av endring i retning. Vi vet at starthastigheten Ved Punkt D er null, derfor forblir endringen i momentum negativ på grunn av endringen i bevegelsesretningen.

dette fenomenet momentumendring og bevaring er nyttig for å studere kollisjoner også, som mellom to bassengballer. Merk at i dette tilfellet vil de to ballene sammen bli behandlet som et isolert system. Derfor vil summen av kroppens første momenta før kollisjonen være lik summen av deres endelige momenta etterpå. Også momentumendringen av en kropp ville være lik og motsatt den til den andre-reflekterer Newtons tredje lov.

Merk at disse pool ball kollisjonene vil bli betraktet som elastiske, noe som betyr at både momentum og kinetisk energi eller ke, av systemet, er bevart; men dette er ikke tilfelle alltid. Faktisk er mer vanlige kollisjoner, som bilulykker, uelastiske og kan ikke adlyde momentum bevaring fordi noen kinetisk energi går tapt under påvirkning.

nå som vi har gjennomgått prinsippene for momentumbevaring, la oss se hvordan disse konseptene kan brukes på et eksperiment som involverer kollisjoner av glidere på et nær friksjonsløst spor.

dette eksperimentet består av en balanse, to fotogattidtakere, to glidere med lik masse, tilleggsvekter, en lufttilførsel, et luftspor med støtfangere og en linjal.

først bruker du balansen, måler massene av glidebryterne, tilleggsvektene og registrerer disse verdiene. Koble deretter lufttilførselen til luftsporet og slå den på. Et luftspor brukes til å redusere friksjonen, noe som ville være en ekstern kraft på glidebryterne.

nå begynner å gjøre deg kjent med timing prosessen ved å plassere en glider og en komponent av en av photogate tidtakere på banen. Still timeren til ‘gate’ – innstillingen og skyv glidebryteren mot fotogaten. Når flagget over glider passerer gjennom photogate det vil registrere sin transittid. Å vite flagget er 10 centimeter langt, divider denne avstanden med den målte tiden for å få hastigheten til glideren.

glideren vil sprette av den fjerne støtfangeren og gå tilbake for å passere gjennom fotogaten igjen. Photogate viser den første transittiden og kan byttes til ‘ les ‘ – innstillingen for å vise returtransittiden. Gjenta prosessen med å måle hastigheten til glideren under de første og returreisene for å gjøre deg kjent med prosessen. Siden hastighet er en vektormengde, la den opprinnelige retningen være positiv og returretningen være negativ.

Plasser en andre glider og photogate timer på sporet til høyre for det første settet. Med glider 2 i ro, skyv glider 1 slik at de to vil kollidere. Ta opp starthastigheten til glider 1, så vel som de endelige hastighetene til hver glider. Merk at momenta måles etter at impulskraften er påført og systemet er isolert. Gjenta denne prosedyren tre ganger for å få flere datasett.

deretter legger du et ekstra sett med vekter på glider 2 som dobler sin masse. Gjenta det forrige settet med hastighetsmålinger for denne massekonfigurasjonen og ta opp disse verdiene.

tilbakestill glidebryterne Til sine opprinnelige posisjoner og fjern tilleggsvektene fra glider 2. For dette settet med målinger vil glider 2 bli gitt en innledende hastighet slik at begge glidere vil motta et trykk før kollisjonen. Ta opp innledende og endelige hastigheter for hver glider og gjenta denne prosedyren tre ganger.

for det første forsøket som involverer like masser og glider 1 i utgangspunktet beveger seg, kommer glider 1 til nesten en fullstendig stopp etter å ha kollidert med glider 2. Og hastigheten til glider 2 etter kollisjon er lik hastigheten til glider 1 før kollisjon. Dermed er endringen i momentum av en glider lik og motsatt til momentumendringen av den andre, noe som gjør Dette Til Et godt eksempel På Newtons 3.Lov

som forventet er det første og siste momentet av hele systemet nesten like, noe som reflekterer bevaring av momentum. Avvik i disse momenta verdiene er i samsvar med feil som forventes for denne typen eksperiment, inkludert målefeil og sporet ikke er helt nivå.

for det andre eksperimentet som involverer ulik masse, kommer glider 1 ikke til å hvile etter kollisjonen med den tyngre glideren, men reverserer retning etter å ha gitt noe momentum til glider 2.

igjen er momentumendringene i glidebryterne like og motsatte mens momentumet i det totale systemet er bevart. Systemets momentum så vel som dens innledende og endelige kinetiske energier er nesten bevart. Dette skyldes at kollisjonen er nesten elastisk og derfor er ubetydelige eksterne friksjonskrefter tilstede.

for det tredje eksperimentet som involverer glidere med lik masse som beveger seg i motsatt retning, har gliderne lignende innledende momenta og deretter reverserer retningene etter å ha kollidert mens de beholder sine størrelser av momenta.

det totale systemets momentum er bevart, selv om avvikene i de innledende og endelige momentumverdiene er litt større enn de tidligere forsøkene på grunn av den ekstra hastighetsmålingen som kreves og potensielt større tap på grunn av friksjon.

prinsippet om bevaring av momentum, selv om det ikke vanligvis vurderes, er fremtredende i alle former for aktiviteter og arrangementer. Uten momentum bevaring rakett fremdrift ville ikke være mulig. I utgangspunktet er raketten og drivstoffet ubevegelig og har null momentum.

men ved raskt å kaste ut brukt brensel som har både masse og momentum, blir raketten drevet oppover, som et resultat av momentumet i motsatt retning av det kasserte drivstoffet. Dette forklarer hvordan raketter kan skape trykk og drive i luft eller rom uten å skyve mot noe.

utslipp av skytevåpen har en bemerkelsesverdig tilknytning til bevaring av momentum.

som rakettbrenselsystemet starter også skytevåpenammunisjonssystemet i ro. Når ammunisjonen blir sparket ut av skytevåpen med enorm hastighet, må det være motstridende momentum for å motvirke det. Dette er kjent som rekyl og kan være svært kraftig.

Du har nettopp sett JoVE ‘ s introduksjon til Bevaring Av Momentum. Du bør nå forstå prinsippet momentum bevaring og hvordan dette kan brukes til å løse problemer og forstå fysikk av kollisjoner. Som alltid, takk for at du så på!