Фізика. З поглибленим вивченням фізики. Повторне видання. 9 клас. Засєкіна

§ 52. Імпульс. Закон збереження імпульсу

Ви дізнаєтесь

  • Чому не варто різко витягати моркву із землі

Пригадайте

  • Що таке замкнена (ізольована) система

Імпульс тіла та імпульс сили. 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 сама піщинка, приведена в рух ураганом, досить відчутна.

Аналогічно по-різному рухаються й тіла, що мають однакові швидкості, але різні маси. Так, наприклад, легковий і вантажний автомобілі, що рухаються з однаковими швидкостями, матимуть різний гальмівний шлях (мал. 254).

Мал. 254. Легковий і вантажний автомобілі, що рухаються з однаковими швидкостями, матимуть різний гальмівний шлях

Такі принципові відмінності в русі тіл зумовлені наявністю, крім маси та швидкості, ще однієї важливої характеристики руху, яку у фізиці називають імпульсом тіла. Термін «імпульс» походить від латинського impulsus, що означає «поштовх».

Одиниця імпульсу сили — ньютон-секунда, [Ft] = 1 Н • с.

Отже, через поняття імпульсу другий закон Ньютона записують так:

Саме в такому вигляді другий закон динаміки був сформульований самим Ньютоном.

Імпульс тіла та імпульс сили є векторними величинами. Вектор імпульсу напрямлений так само, як і вектор швидкості руху тіла, а вектор імпульсу сили — так, як вектор сили.

  • одна и та сама сила протягом одного и того самого інтервалу часу викликає в будь-якого тіла однакову зміну імпульсу;
  • одна й та сама сила, що діє протягом одного й того самого інтервалу часу викликає в тіл різної маси різну зміну швидкості;
  • однакові наслідки взаємодії можуть бути отримані в разі, коли на тіло діє незначна сила, але протягом тривалого часу, і в разі, якщо велика сила діє короткочасно.

Останній висновок широко використовується і враховується в техніці та побуті. Так, правила роботи на баштових кранах забороняють піднімати великі вантажі ривком, оскільки для зміни імпульсу вантажу за дуже короткий час слід прикласти дуже велику силу, яка може перевищити міцність тросів. Так само пояснюється обривання гички буряка чи моркви, якщо спробувати різко смикнути їх. Для «пом’якшення удару» при гальмуванні на різних видах транспорту застосовують ресори та амортизатори — пристрої, за допомогою яких збільшується час гальмування й тим самим зменшується сила удару.

Закон збереження імпульсу. У природі всі тіла взаємодіють між собою. Проте взаємодія з деякими тілами настільки незначна, що її можна не враховувати. Для цього у фізиці використовують поняття ізольованої, або замкненої, системи тіл.

Замкнена (ізольована) система — це система тіл, які взаємодіють лише між собою й не взаємодіють з тілами, що не входять до цієї системи.

Сили, з якими тіла взаємодіють усередині замкненої системи, називають внутрішніми. Тож можна стверджувати, що на замкнену систему не діють зовнішні сили.

Мал. 255. Взаємодія тіл у замкненій системі

Геометрична сума імпульсів тіл, які утворюють замкнену систему, залишається сталою під час будь-яких рухів і взаємодій тіл системи.

Виконання закону збереження імпульсу ми показали на прикладі системи, що складається з двох взаємодіючих тіл. Закон виконується і для ізольованої системи з довільною кількістю тіл.

Зазначимо, що закон збереження імпульсу можна застосовувати і для неізольованих систем за умови, що сума імпульсів зовнішніх сил дорівнює нулю.

Ми отримали закон збереження імпульсу, виходячи із законів Ньютона, але слід наголосити, що закон збереження імпульсу не є наслідком законів Ньютона. Закон збереження імпульсу — це самостійний фундаментальний закон природи, а це означає, що він виконується для тіл макро- і мікросвіту. Згідно із цим законом, що б не відбулося в замкненій системі (співудари, вибухи, хімічні реакції тощо), імпульс системи тіл залишається незмінним. Це дає можливість аналізувати рух тіл замкненої системи навіть у тих випадках, коли внутрішні сили невідомі.

Пружна і непружна взаємодія. Одним із прикладів прояву закону збереження імпульсу є удар. Під ударом розуміють таку взаємодію тіл, яка здійснюється миттєво. Як правило, під час удару взаємодія відбувається через сили пружності, які виникають у тілах унаслідок їх деформації під час стискання. Якщо після удару розміри та форма взаємодіючих тіл повністю відновлюються, то такий удар називають абсолютно пружним.

У природі спостерігаються також взаємодії, які називаються непружними. У випадках абсолютно непружного удару утворюється нове тіло, маса якого дорівнює сумі мас тіл, які взаємодіяли.

За малюнком 256 опишіть випадки пружної (а) і непружної (б) взаємодій.

Мал. 256. Моделювання взаємодій: а — пружної; б — непружної

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

  • 1. Що таке імпульс тіла та імпульс сили? Який між ними зв’язок?
  • 2. Як залежить зміна імпульсу тіла від значення сили й часу її дії?
  • 3. Як записується другий закон Ньютона в імпульсній формі?
  • 4. Що таке зовнішні та що таке внутрішні сили системи тіл?
  • 5. У чому суть закону збереження імпульсу?

Вчимося розв'язувати задачі

Задача 1. Вагон масою 30 т рухається зі швидкістю 4 м/с і стикається з нерухомою платформою масою 10 т. Визначте швидкість вагона і платформи після того, як спрацює автозчеплення.

Мал. 257

Мал. 258