Conservarea impulsului

conservarea impulsului este una dintre cele mai importante legi din fizică și stă la baza multor fenomene din mecanica clasică.

impulsul, de obicei notat cu litera p, este produsul masei m și al vitezei v. principiul conservării impulsului afirmă că schimbarea impulsului unui obiect, sau a lui Centimp, este zero, cu condiția să nu se aplice nicio forță externă netă.

invers, aplicarea unei forțe externe nete, sau F net, pe o perioadă de timp are ca rezultat o schimbare a impulsului pentru acel obiect. Fenomenul conservării impulsului poate fi aplicat și unei colecții de obiecte, ceea ce îl face util pentru studierea fizicii coliziunilor.

scopul acestui experiment este de a testa principiul conservării impulsului prin observarea coliziunilor dintre obiectele în mișcare.

înainte de a intra în experimentul de laborator, să studiem principiile de bază ale conservării impulsului. Legile mișcării lui Newton sunt esențiale pentru înțelegerea principiului conservării impulsului. Pentru mai multe informații, vă rugăm să vizionați videoclipul lui Jove Science Education: Newton ‘ s Laws of Motion.

conceptele impulsului pot fi ilustrate folosind o bilă albă pe o masă de biliard. A doua lege a lui Newton afirmă că o forță netă aplicată de un băț de Tac conferă o accelerație a unei bile de masă de masă m. accelerația este schimbarea vitezei v în timp t. deci, dacă mutăm timpul în cealaltă parte a ecuației, rămânem cu Centimmv sau schimbarea impulsului Centimm. Prin urmare, forța netă dă naștere la o schimbare a impulsului.

rețineți că m în această ecuație este de obicei constantă, deci schimbarea impulsului depinde de diferența de viteze la punctele de referință finale și inițiale. Și din moment ce viteza este o cantitate vectorială, un semn pozitiv sau negativ este atribuit valorii sale care indică direcția de mișcare.

în exemplul bilei albe, viteza inițială la punctul A — notată cu vA în această ecuație — este zero. În timp ce viteza finală la punctul B este pozitivă. Astfel, schimbarea impulsului este pozitivă datorită forței nete aplicate de băț. Apoi, atunci când mingea se deplasează de la punctul B la punctul C, presupunând că nu există forțe externe care acționează asupra mingii precum fricțiunea sau rezistența la aer, Zif ar fi zero.

rețineți că impulsul poate fi conservat numai într – un sistem izolat-un sistem neafectat de forțele externe nete.

acum, când bila albă se deplasează din punctul C și lovește partea laterală a mesei în punctul D, viteza sa finală devine zero. Astfel, schimbarea impulsului devine negativă, păstrând în același timp aceeași magnitudine ca atunci când mingea a fost lovită de bastonul cue. În cele din urmă, când bila albă revine de pe perete, viteza sa finală la punctul E este negativă din cauza schimbării direcției. Știm că viteza inițială la punctul D este zero, prin urmare schimbarea impulsului rămâne negativă din cauza schimbării direcției de mișcare.

acest fenomen de schimbare și conservare a impulsului este util și pentru studierea coliziunilor, cum ar fi între două bile de biliard. Rețineți că, în acest caz, cele două bile împreună ar fi tratate ca un sistem izolat. Prin urmare, suma momentelor inițiale ale corpurilor înainte de coliziune ar fi egală cu suma momentelor lor finale după aceea. De asemenea, schimbarea impulsului unui corp ar fi egală și opusă celei a celuilalt – reflectând a treia lege a lui Newton.

rețineți că aceste coliziuni cu bile de piscină ar fi considerate elastice, ceea ce înseamnă că atât impulsul, cât și energia cinetică sau KE, a sistemului, sunt conservate; dar acest lucru nu este întotdeauna cazul. De fapt, coliziunile mai frecvent întâlnite, cum ar fi accidentele auto, sunt inelastice și pot să nu se supună conservării impulsului, deoarece o parte din energia cinetică se pierde în timpul impactului.

acum că am revizuit principiile conservării impulsului, să vedem cum aceste concepte pot fi aplicate unui experiment care implică coliziuni de planoare pe o pistă aproape fără frecare.

acest experiment constă dintr-un echilibru, două cronometre fotogate, două planoare de masă egală, greutăți suplimentare, o sursă de aer, o pistă de aer cu bare de protecție și o riglă.

mai întâi, folosind echilibrul, măsurați masele planoarelor, greutățile suplimentare și înregistrați aceste valori. Apoi, conectați alimentarea cu aer la pista de aer și porniți-o. O pistă de aer este utilizată pentru a reduce cantitatea de frecare, care ar fi o forță externă pe planoare.

acum începeți să vă familiarizați cu procesul de sincronizare plasând un planor și o componentă a unuia dintre cronometrele fotogate pe pistă. Setați cronometrul la setarea ‘gate’ și împingeți planorul spre fotogate. Când steagul de deasupra planorului trece prin fotogate, acesta va înregistra timpul de tranzit. Știind că steagul are o lungime de 10 centimetri, împărțiți această distanță la timpul măsurat pentru a obține viteza planorului.

planorul va sări de pe bara de protecție îndepărtată și va reveni pentru a trece din nou prin fotogate. Photogate afișează timpul de tranzit inițial și poate fi comutat la setarea ‘read’ pentru a afișa timpul de tranzit retur. Repetați procesul de măsurare a vitezei planorului în timpul călătoriilor inițiale și de întoarcere pentru a vă familiariza cu procesul. Deoarece viteza este o cantitate vectorială, lăsați direcția inițială să fie pozitivă și direcția de întoarcere să fie negativă.

Plasați un al doilea planor și fotografiați cronometrul pe pista din dreapta primului set. Cu planorul 2 în repaus, împingeți planorul 1 astfel încât cei doi să se ciocnească. Înregistrați viteza inițială a planorului 1, precum și vitezele finale ale fiecărui planor. Rețineți că momenta sunt măsurate după ce forța impulsivă a fost aplicată și sistemul este izolat. Repetați această procedură de trei ori pentru a obține mai multe seturi de date.

apoi, cu planoarele în pozițiile lor inițiale, așezați un set suplimentar de greutăți pe planorul 2 care își dublează masa. Repetați setul anterior de măsurători de viteză pentru această configurație de masă și înregistrați aceste valori.

în cele din urmă, resetați planoarele la pozițiile lor inițiale și îndepărtați greutățile suplimentare de la planorul 2. Pentru acest set de măsurători, planorului 2 i se va da o viteză inițială astfel încât ambele planoare să primească o împingere înainte de coliziune. Înregistrați vitezele inițiale și finale pentru fiecare planor și repetați această procedură de trei ori.

pentru primul experiment care implică mase egale și planorul 1 inițial în mișcare, planorul 1 se oprește aproape complet după coliziunea cu planorul 2. Și viteza planorului 2 după coliziune este similară cu viteza planorului 1 înainte de coliziune. Astfel, schimbarea impulsului unui planor este egală și opusă schimbării impulsului celuilalt, ceea ce face din acesta un bun exemplu al legii a 3-A a lui Newton

așa cum era de așteptat, momentul inițial și final al întregului sistem sunt aproape egale, reflectând conservarea impulsului. Discrepanțele în aceste valori momenta sunt în concordanță cu erorile așteptate pentru acest tip de experiment, inclusiv eroarea de măsurare și pista care nu este complet nivelată.

pentru al doilea experiment care implică mase inegale, planorul 1 nu se oprește în urma coliziunii cu planorul mai greu, ci inversează direcția după ce a dat un impuls planorului 2.

încă o dată, schimbările de impuls ale planoarelor sunt egale și opuse, în timp ce impulsul sistemului total este conservat. Impulsul sistemului, precum și energiile sale cinetice inițiale și finale sunt aproape conservate. Acest lucru se datorează faptului că coliziunea este aproape elastică și, prin urmare, sunt prezente forțe de frecare externe neglijabile.

pentru al treilea experiment care implică planoare de masă egală care se deplasează în direcții opuse, planoarele posedă momente inițiale similare și apoi își inversează direcțiile după coliziune, păstrând în același timp magnitudinile lor de momente.

impulsul total al sistemului este conservat, deși discrepanțele dintre valorile impulsului inițial și final sunt puțin mai mari decât experimentele anterioare datorită măsurării suplimentare a vitezei necesare și a pierderilor potențial mai mari datorate frecării.

principiul conservării impulsului, deși nu este considerat în mod obișnuit, este proeminent în toate modurile de activități și evenimente. Fără conservarea impulsului, propulsia rachetelor nu ar fi posibilă. Inițial, racheta și combustibilul său sunt nemișcate și au un impuls zero.

cu toate acestea, prin expulzarea rapidă a combustibilului uzat care are atât masă, cât și impuls, racheta este propulsată în sus, ca urmare a impulsului în direcția opusă combustibilului aruncat. Acest lucru explică modul în care rachetele pot crea împingere și propulsare în aer sau spațiu fără a împinge nimic.

descărcarea unei arme de foc are o asociere notabilă cu conservarea impulsului.

ca și sistemul de combustibil pentru rachete, sistemul de arme de foc-muniție începe, de asemenea, în repaus. Când muniția este trasă din arma de foc cu o viteză extraordinară, trebuie să existe un impuls opus pentru a o contracara. Acest lucru este cunoscut sub numele de recul și poate fi foarte puternic.

tocmai ați urmărit introducerea lui JoVE în conservarea impulsului. Acum ar trebui să înțelegeți principiul conservarea impulsului și modul în care acest lucru poate fi aplicat pentru a rezolva problemele și a înțelege fizica coliziunilor. Ca întotdeauna, mulțumesc pentru vizionare!