Bevarande av Momentum

bevarande av momentum är en av de viktigaste lagarna i fysik och ligger till grund för många fenomen i klassisk mekanik.

Momentum, typiskt betecknad med bokstaven p, är produkten av massa m och hastighet v. principen om momentumbevarande säger att ett objekts förändring i momentum, eller USP, är noll förutsatt att ingen netto extern kraft appliceras.

omvänt, att applicera en netto extern kraft, eller F net, över en tidsperiod resulterar i en förändring i momentum för det objektet. Fenomenet momentumbevarande kan också tillämpas på en samling objekt, vilket gör det användbart för att studera kollisionsfysiken.

målet med detta experiment är att testa principen om bevarande av momentum genom att observera kollisioner mellan rörliga objekt.

innan vi går in i laboratorieexperimentet, låt oss studera de grundläggande principerna för momentumbevarande. Newtons rörelselagar är centrala för att förstå principen om bevarande av momentum. För mer information, se joves Vetenskapsutbildningsvideo: Newtons rörelselagar.

begreppen momentum kan illustreras med hjälp av en köboll på ett biljardbord. Newtons andra lag säger att en nettokraft som appliceras av en cue-pinne ger en acceleration A till en cue-boll med massa m. Acceleration är förändringen i hastighet v över tiden t. så, om vi flyttar tiden till andra sidan av ekvationen, vi är kvar med Sacorimv, eller förändringen i momentum Sacribp. Därför ger nettokraften upphov till en förändring i momentum.

Observera att m i denna ekvation vanligtvis är konstant, så förändringen i momentum är beroende av skillnaden i hastigheter vid de slutliga och initiala referenspunkterna. Och eftersom hastighet är en vektorkvantitet tillskrivs ett positivt eller negativt tecken dess värde som indikerar rörelseriktning.

i cue ball-exemplet är initialhastigheten vid punkt A-betecknad med vA i denna ekvation-noll. Den slutliga hastigheten vid punkt B är positiv. Således är momentumförändringen positiv på grund av den nätkraft som appliceras av pinnen. Sedan, när bollen rör sig från punkt B till punkt C, förutsatt att det inte finns några yttre krafter som verkar på bollen som friktion eller luftmotstånd, skulle Ausp vara noll.

Observera att momentum endast kan bevaras i ett isolerat system – ett system som inte påverkas av netto externa krafter.

nu, när köbollen rör sig från punkt C och träffar sidan av bordet vid punkt D, blir dess slutliga hastighet noll. Således blir momentumförändringen negativ samtidigt som den behåller samma storlek som när bollen slogs av cue-pinnen. Slutligen, när köbollen studsar från väggen, är dess slutliga hastighet vid punkt E negativ på grund av riktningsförändring. Vi vet att initialhastigheten vid punkt D är noll, därför förblir förändringen i momentum negativ på grund av förändringen i rörelseriktningen.

detta fenomen av momentumförändring och bevarande är också användbart för att studera kollisioner, som mellan två poolbollar. Observera att i detta fall skulle de två bollarna tillsammans behandlas som ett isolerat system. Därför skulle summan av kropparnas initiala momenta före kollisionen motsvara summan av deras slutliga momenta efteråt. Dessutom skulle momentumförändringen av en kropp vara lika och motsatt den hos den andra-vilket återspeglar Newtons tredje lag.

Observera att dessa poolbollskollisioner skulle betraktas som elastiska, vilket innebär att både momentum och kinetisk energi eller ke, i systemet, bevaras; men detta är inte alltid fallet. Faktum är att mer vanligt förekommande kollisioner, såsom bilolyckor, är oelastiska och kanske inte följer momentumbevarande eftersom viss kinetisk energi går förlorad under påverkan.

nu när vi har granskat principerna för momentumbevarande, låt oss se hur dessa begrepp kan tillämpas på ett experiment som involverar kollisioner av glidflygplan på ett nära friktionsfritt spår.

detta experiment består av en balans, två photogate timers, två glidflygplan med samma massa, ytterligare vikter, en lufttillförsel, ett luftspår med stötfångare och en linjal.

mät först med hjälp av balansen segelflygarnas Massor, de extra vikterna och registrera dessa värden. Anslut sedan lufttillförseln till luftspåret och sätt på den. Ett luftspår används för att minska mängden friktion, vilket skulle vara en yttre kraft på glidflygplanen.

nu börjar bekanta dig med tidpunkten processen genom att placera en segelflygplan och en komponent i en av photogate timers på banan. Ställ in timern på’ gate ‘ – inställningen och skjut glidflygplanet mot photogate. När flaggan ovanför glidflygplanet passerar genom photogate registrerar den sin transittid. Att veta att flaggan är 10 centimeter lång, dela detta avstånd med den uppmätta tiden för att få glidbanans hastighet.

segelflygplan kommer att studsa bort den bortre stötfångaren och återgå för att passera genom photogate igen. Photogate visar den ursprungliga transittiden och kan växlas till inställningen ‘Läs’ för att visa returtransittiden. Upprepa processen för att mäta glidbanans hastighet under de första och returresorna för att bekanta dig med processen. Eftersom hastighet är en vektorkvantitet, låt den initiala riktningen vara positiv och returriktningen vara negativ.

placera en andra segelflygplan och photogate timer på banan till höger om den första uppsättningen. Med glider 2 i vila, tryck glider 1 så att de två kommer att kollidera. Registrera initialhastigheten för segelflygplan 1 samt de slutliga hastigheterna för varje segelflygplan. Observera att momenta mäts efter att den impulsiva kraften har applicerats och systemet är isolerat. Upprepa proceduren tre gånger för att få flera datauppsättningar.

nästa, med glidflygplanen i sina ursprungliga positioner, placera en extra uppsättning vikter på glider 2 som fördubblar sin massa. Upprepa föregående uppsättning hastighetsmätningar för denna masskonfiguration och registrera dessa värden.

slutligen, Återställ glidflygplanen till sina ursprungliga positioner och ta bort de extra vikterna från glider 2. För denna uppsättning mätningar kommer glider 2 att ges en initial hastighet så att båda glidflygplanen får ett tryck före kollisionen. Registrera de initiala och slutliga hastigheterna för varje segelflygplan och upprepa denna procedur tre gånger.

för det första experimentet som involverar lika massor och glider 1 som initialt rör sig, kommer glider 1 till nästan ett fullständigt stopp efter att ha kolliderat med glider 2. Och hastigheten på glider 2 efter kollision liknar hastigheten på glider 1 före kollision. Således är förändringen i momentum hos en segelflygplan lika och motsatt till momentumförändringen hos den andra, vilket gör detta till ett bra exempel på Newtons 3: e lag

som förväntat är den initiala och slutliga momenta av hela systemet nästan lika, vilket återspeglar bevarande av momentum. Avvikelser i dessa momenta värden överensstämmer med fel som förväntas för denna typ av experiment inklusive mätfel och spåret inte är helt nivå.

för det andra experimentet som involverar ojämlika massor kommer glider 1 inte att vila efter kollisionen med den tyngre segelflygplan, men vänder riktningen efter att ha gett lite fart till glider 2.

återigen är momentumförändringarna hos glidflygplanen lika och motsatta medan momentumet i det totala systemet bevaras. Systemets momentum såväl som dess initiala och slutliga kinetiska energier är nästan bevarade. Detta beror på att kollisionen är nästan elastisk och därför är försumbara yttre friktionskrafter närvarande.

för det tredje experimentet som involverar glidflygplan med samma massa som rör sig i motsatta riktningar, har glidflygplanen liknande initiala momenta och vänder sedan sina riktningar efter att ha kolliderat medan de behåller sina magnituder av momenta.

den totala systemmomentet bevaras även om skillnaderna i de initiala och slutliga momentvärdena är något större än de tidigare experimenten på grund av den ytterligare hastighetsmätning som krävs och potentiellt större förluster på grund av friktion.

principen om bevarande av momentum, även om den inte typiskt beaktas, är framträdande på alla sätt av aktiviteter och evenemang. Utan momentum bevarande raket framdrivning skulle inte vara möjligt. Ursprungligen är raketen och dess bränsle rörlösa och har nollmoment.

men genom att snabbt utvisa använt bränsle som har både massa och momentum drivs raketen uppåt, som ett resultat av momentet i motsatt riktning av det kasserade bränslet. Detta förklarar hur raketer kan skapa dragkraft och driva i luft eller utrymme utan att trycka mot någonting.

utsläpp av ett skjutvapen har en anmärkningsvärd förening med bevarande av momentum.

liksom raketbränslesystemet börjar skjutvapenammunitionssystemet också i vila. När ammunitionen avfyras ur skjutvapnet med en enorm hastighet måste det finnas motsatta momentum för att motverka det. Detta kallas rekyl och kan vara mycket kraftfullt.

du har just tittat på joves introduktion till bevarande av Momentum. Du bör nu förstå principen momentum bevarande och hur detta kan tillämpas för att lösa problem och förstå fysiken i kollisioner. Som alltid, tack för att du tittade!