Фізика. 9 клас. Головко
§ 44. Імпульс. Закон збереження імпульсу
• Замкнута система тіл
• Імпульс тіла. Імпульс сили
• Закон збереження імпульсу
ЗАМКНУТА СИСТЕМА ТІЛ. Будь-які фізичні явища, як природні, так і штучно відтворені людиною, є наслідком і причиною постійних взаємодій між тілами. Взаємодіють Сонце і планети, Земля і Місяць, різноманітні тіла, що оточують людину в повсякденному житті. Одні взаємодії є досить значними і їх потрібно враховувати. Інші настільки незначні, що ними можна знехтувати, вирішуючи як практичні завдання, так і розв’язуючи фізичні задачі. Так, досліджуючи рух певного тіла, враховують притягання до Землі, і не враховують гравітаційну взаємодію з іншими тілами. Ця взаємодія для тіл порівняно невеликих мас є такою незначною (наприклад, тіла масами 1 та 10 тонн, розташовані на відстані 1 м, притягуються одне до одного силою приблизно 0,7 мН), що її можна не враховувати, визначаючи швидкість та прискорення цих тіл.
Вивчаючи у попередніх параграфах рух тіла під дією сили тяжіння, ви враховували взаємодію між тілами та Землею, і не враховували його взаємодію з іншими тілами, велика кількість яких перебувала поруч. При цьому спеціально були виділені тіла, що утворили окрему, так звану замкнену, або ізольовану, систему.
Замкнутою, або ізольованою, називають систему, в якій тіла, що входять до неї, взаємодіють між собою, і не взаємодіють з тілами, які до цієї системи не входять, або такі взаємодії є незначними і їх не враховують.
Важливість замкнутих (ізольованих) систем у механіці та й у фізиці загалом визначається тим, що саме в них залишаються незмінними фізичні величини, зокрема, такі характеристики механічного руху, як імпульс та енергія.
ІМПУЛЬС ТІЛА. ІМПУЛЬС СИЛИ. За другим законом Ньютона, важливими характеристиками руху тіла є його маса і швидкість, зміну якої характеризує прискорення. Тіла однієї й тієї самої маси, що мають різні швидкості, рухаються по-різному. Маленька піщинка, що з прискоренням вільного падіння осідає на руку, майже не відчутна. Ця ж піщинка, приведена в рух ураганом, може пошкодити паперову перепону і навіть тонке скло.
Аналогічно по різному рухаються й тіла, що мають однакові швидкості, але різні маси. Куля масою 10 кг, рухаючись із порівняно невеликою швидкістю, досить легко може деформувати чи навіть пробити гіпсокартонну або дерев’яну стіну. Тоді як куля масою 100 г, що рухається з такою самою швидкістю, зупиниться, досягнувши перешкоди, або рухатиметься у зворотний бік. Такі принципові відмінності в русі тіл зумовлені наявністю крім маси та швидкості ще однієї важливої характеристики руху — його кількості, яку у фізиці називають імпульсом.
Імпульс тіла — це векторна фізична величина, що є мірою механічного руху і визначається як добуток маси тіла на його швидкість.
Одиницею імпульсу тіла в СІ є імпульс тіла масою 1 кг, що рухається зі швидкістю 1 м/с:
Числове значення імпульсу тіла розраховують, використовуючи його масу та швидкість.
Приклад. Яке з двох тіл масами 1 кг та 10 кг, що рухаються зі швидкістю 10 м/с, має більший імпульс і у скільки разів?
Одиницею імпульсу сили є Н • с.
Імпульс тіла і імпульс сили — векторні величини. Вектор імпульсу направлено так само, як і вектор швидкості руху тіла, а вектор імпульсу сили — як вектор сили.
Уразі дії однакових сил зміна імпульсу тіла буде більшою, якщо час дії сили більший. Чим триваліша дія сили, тим більшою буде зміна імпульсу тіла.
ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ ІМПУЛЬСУ. На початку цього параграфа було зауважено, що імпульс є однією з тих характеристик механічного руху, яка має властивість зберігатися. Тому закон збереження імпульсу розглядають як один із фундаментальних законів не тільки механіки, фізики, а й природи. Встановити цей закон можна, розглянувши пружну взаємодію двох кульок (рис. 44.1).
Рис. 44.1. Закон збереження імпульсу під час пружної взаємодії двох кульок
Закон збереження імпульсу: геометрична сума імпульсів тіл, які утворюють замкнену систему, є величиною сталою під час будь-яких рухів і взаємодій тіл системи:
Ми отримали закон збереження імпульсу на підставі законів Ньютона, але слід наголосити, що закон збереження імпульсу не є наслідком законів Ньютона — це фундаментальний самостійний закон природи. Цей закон виконується для тіл макро- і мікросвіту. Він є основою багатьох фізичних явищ, проявляється в живій природі й використовується в науці та техніці.
Застосування закону збереження імпульсу дає можливість розв’язувати деякі силові взаємодії без використання основного закону динаміки (другого закону Ньютона).
Приклад. Під час запуску моделі ракети масою 250 г з неї вийшло майже миттєво 50 г стиснутого повітря зі швидкістю 2 м/с. Визначити швидкість, з якою буде рухатись ракета.
! Головне в цьому параграфі
? Запитання для самоперевірки
- 1. Чому імпульс називають кількістю руху?
- 2. Наведіть приклади ізольованих, замкнених систем.
- 3. Чи можна вважати замкненою систему «човен—рибалка—поверхня води», «кулька на нитці—повітря», «кулька на підвісі—повітря». Чому?
- 4. Які з вказаних взаємодій можна не враховувати, вивчаючи рух природного супутника Землі — Місяця: а) дію Землі; б) дію Сонця; в) дію штучного супутника Землі; г) дію далеких зірок.
- 5. Чи матиме тіло імпульс, якщо на нього не діє сила?
- 6. Чи відрізняються за модулем і напрямом імпульс тіла та імпульс сили?
- 7. Які природні явища підтверджують закон збереження імпульсу?
- 8. Чому закон збереження імпульсу називають фундаментальним законом природи?
Вправа до § 44
- 1 (д). На тіло масою 2 кг протягом 2 с діяла сила 2 Н. Визначте імпульс сили та прискорення руху тіла.
- 2 (д). Рух матеріальної точки описується рівнянням х = 5 - 8t + 4t2. Вважаючи, що маса точки дорівнює 2 кг, визначте імпульс через 2 с і через 4 с після початку відліку часу.
- 3 (в). Молекула масою 4,65 • 10-26 кг пружно вдаряється об стінку посудини та відбивається від неї без втрати швидкості. Визначте імпульс сили, отриманий стінкою, якщо молекула летить та відбивається: а) перпендикулярно; б) під кутом 30° до стінки. Швидкість молекули 600 м/с.
