На этом уроке мы продолжаем изучать законы сохранения и рассмотрим различные возможные удары тел. Из своего опыта вы знаете, что накачанный баскетбольный мяч хорошо отскакивает от пола, тогда как сдутый - практически не отскакивает. Из этого вы могли сделать вывод, что удары различных тел могут быть разными. Для того чтобы охарактеризовать удары, вводятся абстрактные понятия абсолютно упругого и абсолютно неупругого ударов. На этом уроке мы займемся изучением различных ударов.

Тема: Законы сохранения в механике

Урок: Столкновение тел. Абсолютно упругий и абсолютно неупругий удары

Для изучения строения вещества, так или иначе, используются различные столкновения. Например, для того, чтобы рассмотреть какой-то предмет, его облучают светом, или потоком электронов, и по рассеянию этого света, или потока электронов получают фотографию, или рентгеновский снимок, или изображение данного предмета в каком-либо физическом приборе. Таким образом, столкновение частиц - это то, что окружает нас и в быту, и в науке, и в технике, и в природе.

Например, при одном столкновении ядер свинца в детекторе ALICE Большого Адронного Коллайдера рождаются десятки тысяч частиц, по движению и распределению которых можно узнать о самых глубинных свойствах вещества. Рассмотрение процессов столкновения с помощью законов сохранения, о которых мы говорим, позволяет получать результаты, независимо от того, что происходит в момент столкновения. Мы не знаем, что происходит в момент столкновения двух ядер свинца, но мы знаем, какова будет энергия и импульс частиц, которые разлетаются после этих столкновений.

Сегодня мы рассмотрим взаимодействие тел в процессе столкновения, иными словами движение невзаимодействующих тел, которые меняют свое состояние только при соприкосновении, которое мы называем столкновением, или ударом.

При столкновении тел, в общем случае, кинетическая энергия сталкивающихся тел не обязана быть равной кинетической энергии разлетающихся тел. Действительно, при столкновении тела взаимодействуют друг с другом, воздействуя друг на друга и совершая работу. Эта работа и может привести к изменению кинетической энергии каждого из тел. Кроме того, работа, которую совершает первое тело над вторым, может оказаться неравной работе, которую второе тело совершает над первым. Это может привести к тому, что механическая энергия может перейти в тепло, электромагнитное излучение, или даже породить новые частицы.

Столкновения, при которых не сохраняется кинетическая энергия сталкивающихся тел, называют неупругими.

Среди всех возможных неупругих столкновений, есть один исключительный случай, когда сталкивающиеся тела в результате столкновения слипаются и дальше движутся как одно целое. Такой неупругий удар называют абсолютно неупругим (рис. 1) .

а)б)

Рис. 1. Абсолютное неупругое столкновение

Рассмотрим пример абсолютно неупругого удара. Пусть пуля массой летела в горизонтальном направлении со скоростью и столкнулась с неподвижным ящиком с песком массой , подвешенным на нити. Пуля застряла в песке, и дальше ящик с пулей пришел в движение. В процессе удара пули и ящика внешние силы, действующие на эту систему, - это сила тяжести, направленная вертикально вниз, и сила натяжения нити, направленная вертикально вверх, если время удара пули было настолько мало, что нить не успела отклониться. Таким образом, можно считать, что импульс сил, действующих на тело во время удара, был равен нулю, что означает, что справедлив закон сохранения импульса:

.

Условие, что пуля застряла в ящике, и есть признак абсолютно неупругого удара. Проверим, что произошло с кинетической энергией в результате этого удара. Начальная кинетическая энергия пули:

конечная кинетическая энергия пули и ящика:

простая алгебра показывает нам, что в процессе удара кинетическая энергия изменилась:

Итак, начальная кинетическая энергия пули меньше конечной на некоторую положительную величину. Как же это произошло? В процессе удара между песком и пулей действовали силы сопротивления. Разность кинетических энергий пули до и после столкновения как раз и равны работе сил сопротивления. Другими словами, кинетическая энергия пули пошла на нагрев пули и песка.

Если в результате столкновения двух тел сохраняется кинетическая энергия, такой удар называется абсолютно упругим.

Примером абсолютно упругих ударов могут быть столкновения бильярдных шаров. Мы рассмотрим простейший случай такого столкновения - центральное столкновение.

Центральным называется столкновение, при котором скорость одного шара проходит через центр масс другого шара. (Рис. 2.)

Рис. 2. Центральный удар шаров

Пускай один шар покоится, а второй налетает на него с какой-то скоростью , которая, согласно нашему определению, проходит через центр второго шара. Если столкновение центральное и упругое, то при столкновении возникают силы упругости, действующие вдоль линии столкновения. Это приводит к изменению горизонтальной составляющей импульса первого шара, и к возникновению горизонтальной составляющей импульса второго шара. После удара второй шар получит импульс, направленный направо, а первый шар может двигаться как направо, так и налево - это будет зависеть от соотношения между массами шаров. В общем случае, рассмотрим ситуацию, когда массы шаров различны.

Закон сохранения импульса выполняется при любом столкновении шаров:

В случае абсолютно упругого удара, также выполняется закон сохранения энергии:

Получаем систему из двух уравнений с двумя неизвестными величинами. Решив ее, мы получим ответ.

Скорость первого шара после удара равна

,

заметим, что эта скорость может быть как положительной, так и отрицательной, в зависимости от того, масса какого из шаров больше. Кроме того, можно выделить случай, когда шары одинаковые. В этом случае после удара первый шар остановится. Скорость второго шара, как мы ранее отметили, получилась положительной при любом соотношении масс шаров:

Наконец, рассмотрим случай нецентрального удара в упрощенном виде - когда массы шаров равны. Тогда, из закона сохранения импульса мы можем записать:

А из того, что кинетическая энергия сохраняется:

Нецентральным будет удар, при котором скорость налетающего шара не будет проходить через центр неподвижного шара (рис. 3). Из закона сохранения импульса, видно, что скорости шаров составят параллелограмм. А из того, что сохраняется кинетическая энергия, видно, что это будет не параллелограмм, а квадрат.

Рис. 3. Нецентральный удар при одинаковых массах

Таким образом, при абсолютно упругом нецентральном ударе, когда массы шаров равны, они всегда разлетаются под прямым углом друг к другу.

Список литературы

1. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский. Физика 10. - М.: Просвещение, 2008.
2. А.П. Рымкевич. Физика. Задачник 10-11. - М.: Дрофа, 2006.
3. О.Я. Савченко. Задачи по физике - М.: Наука, 1988.
4. А. В. Пёрышкин, В. В. Крауклис. Курс физики т. 1. - М.: Гос. уч.-пед. изд. мин. просвещения РСФСР, 1957.

Ответ: Да, действительно такие удары существуют в природе. Например, если мяч попадает в сетку футбольных ворот, или кусок пластилина выскальзывает из ваших рук и прилипает к полу, или стрела, которая застряла в подвешенной на нитках мишени, или попадание снаряда в баллистический маятник.

Вопрос: Приведите больше примеров абсолютно упругого удара. Существуют ли они в природе?

Ответ: В природе не существует абсолютно упругих ударов, поскольку при любом ударе часть кинетической энергии тел тратится на совершение некими сторонними силами работы. Однако иногда мы можем считать некие удары абсолютно упругими. Мы вправе делать это, когда изменение кинетической энергии тела при ударе незначительное по сравнению с этой энергией. Примерами таких ударов может служить баскетбольный мяч, который отскакивает от асфальта, или столкновения металлических шариков. Упругими также принято считать соударения молекул идеального газа.

Вопрос: Что делать, когда удар частично упругий?

Ответ: Нужно оценить, какое количество энергии ушло на работу диссипативных сил, то есть таких сил, как сила трения или сила сопротивления. Далее нужно воспользоваться законами сохранения импульса и узнать кинетическую энергию тел после столкновения.

Вопрос: Как стоит решать задачу о нецентральном ударе шаров, имеющих разные массы?

Ответ: Стоит записать закон сохранения импульса в векторной форме, и то, что кинетическая энергия сохраняется. Далее, у вас получится система из двух уравнений и двух неизвестных, решив которую, вы сможете найти скорости шаров после столкновения. Однако, следует отметить, что это достаточно сложный и трудоемкий процесс, выходящий за рамки школьной программы.

Начну с пары определений, без знания которых дальнейшее рассмотрение вопроса будет бессмысленным.

Сопротивление, которое оказывает тело при попытке привести его в движение или изменить его скорость, называется инертностью.

Мера инертности – масса .

Таким образом можно сделать следующие выводы:

1. Чем больше масса тела, тем большее оно оказывает сопротивление силам, которые пытаются вывести его из состояния покоя.
2. Чем больше масса тела, тем большее оно оказывает сопротивление силам, которые пытаются изменить его скорость в случае, если тело движется равномерно.

Резюмируя можно сказать, что инертность тела противодействует попыткам придать телу ускорение. А масса служит показателем уровня инертности. Чем больше масса, тем большую силу нужно применить для воздействия на тело, чтобы придать ему ускорение.

Замкнутая система (изолированная) – система тел, на которую не оказывают влияние другие тела не входящие в эту систему. Тела в такой системе взаимодействуют только между собой.

Если хотя бы одно из двух условий выше не выполняется, то систему замкнутой назвать нельзя. Пусть есть система, состоящая из двух материальных точек, обладающими скоростями и соответственно. Представим, что между точками произошло взаимодействие, в результате которого скорости точек изменились. Обозначим через и приращения этих скоростей за время взаимодействия между точками . Будем считать, что приращения имеют противоположные направления и связаны соотношением . Мы знаем, что коэффициенты и не зависят от характера взаимодействия материальных точек — это подтверждено множеством экспериментов. Коэффициенты и являются характеристиками самих точек. Эти коэффициенты называются массами (инертными массами). Приведенное соотношения для приращения скоростей и масс можно описать следующим образом.

Отношение масс двух материальных точек равно отношению приращений скоростей этих материальных точек в результате взаимодействия между ними.

Представленное выше соотношение можно представить в другом виде. Обозначим скорости тел до взаимодействия как и соответственно, а после взаимодействия — и . В этом случае приращения скоростей могут быть представлены в таком виде — и . Следовательно, соотношение можно записать так — .

Импульс (количество энергии материальной точки) – вектор равный произведению массы материальной точки на вектор ее скорости —

Импульс системы (количество движения системы материальных точек) – векторная сумма импульсов материальных точек, из которых эта система состоит — .

Можно сделать вывод, что в случае замкнутой системы импульс до и после взаимодействия материальных точек должен остаться тем же — , где и . Можно сформулировать закон закон сохранения импульса.

Импульс изолированной системы остается постоянным во времени, независимо от взаимодействия между ними.

Необходимое определение:

Консервативные силы – силы, работа которых не зависит от траектории, а обусловлена только начальными и конечными координатами точки.

Формулировка закона сохранения энергии:

В системе, в которой действуют только консервативные силы, полная энергия системы остается неизменной. Возможны лишь превращения потенциальной энергии в кинетическую и обратно.

Потенциальная энергия материальной точки является функцией только координат этой точки. Т.е. потенциальная энергия зависит от положения точки в системе. Таким образом силы , действующие на точку, можно определить так: можно определить так: . – потенциальная энергия материальной точки. Помножим обе части на и получим . Преобразуем и получим выражение доказывающее закон сохранения энергии .

Упругие и неупругие столкновения

Абсолютно неупругий удар – столкновение двух тел, в результате которого они соединяются и далее двигаются как одно целое.

Два шара , с и испытывают абсолютно неупругий дар друг с другом. По закону сохранения импульса . Отсюда можно выразить скорость двух шаров, двигающихся после соударения как единое целое — . Кинетические энергии до и после удара: и . Найдем разность

,

где – приведенная масса шаров . Отсюда видно, что при абсолютно неупругом столкновении двух шаров происходит потеря кинетической энергии макроскопического движения. Эта потеря равна половине произведения приведенной массы на квадрат относительной скорости.

Продемонстрировать абсолютно неупругий удар можно также с помощью шаров из пластилина (глины), движущихся навстречу друг другу. Если массы шаров m 1 и m 2 , их скорости до удара , то, используя закон сохранения импульса, можно записать:

Если шары двигались навстречу друг другу, то они вместе будут продолжать двигаться в ту сторону, в которую двигался шар, обладающий большим импульсом. В частном случае – если массы и скорости шаров равны, то

Выясним, как меняется кинетическая энергия шаров при центральном абсолютно неупругом ударе. Так как в процессе соударения шаров между ними действуют силы, зависящие не от самих деформаций, а от их скоростей, то мы имеем дело с силами, подобными силам трения, поэтому закон сохранения механической энергии не должен соблюдаться. Вследствие деформации происходит «потеря» кинетической энергии, перешедшей в тепловую или другие формы энергии (диссипация энергии ). Эту «потерю» можно определить по разности кинетических энергий до и после удара:

.

Отсюда получаем:

(5.6.3)

Если ударяемое тело было первоначально неподвижно (υ 2 = 0), то

Когда m 2 >> m 1 (масса неподвижного тела очень большая), то и почти вся кинетическая энергия при ударе переходит в другие формы энергии. Поэтому, например, для получения значительной деформации наковальня должна быть массивнее молотка.

Когда тогда и практически вся энергия затрачивается на возможно большее перемещение, а не на остаточную деформацию (например, молоток – гвоздь).

Абсолютно неупругий удар – пример того, как происходит «потеря» механической энергии под действием диссипативных сил.

Каталог заданий.
Закон сохранения импульса, второй закон Ньютона в импульсной форме

Сортировка Основная Сначала простые Сначала сложные По популярности Сначала новые Сначала старые
Пройти тестирование по этим заданиям
Вернуться к каталогу заданий
Версия для печати и копирования в MS Word

Кубик массой m движется по гладкому столу со скоростью и налетает на покоящийся кубик такой же массы. После удара кубики движутся как единое целое без вращений, при этом:

1) скорость кубиков равна

2) импульс кубиков равен

3) импульс кубиков равен

Решение.

На систему не действует никаких внешних сил, следовательно, выполняется закон сохранения импульса. До столкновения один кубик скользил со скоростью а второй — покоился, значит, полный импульс системы по модулю был равен

Таким он останется и после столкновения. Следовательно, утверждение 2 верно. Покажем, что утверждения 1 и 4 ложны. Используя закон сохранения импульса, найдем скорость совместного движения кубиков после столкновения: Следовательно, скорость кубиков а не Далее, находим их кинетическую энергию: Ответ: 2.

Ответ: 2

и почему после равно не 2mU?

Алексей (Санкт-Петербург)

Добрый день!

Исправил, спасибо.

В выделенной строчке не записывается закон сохранения импульса, там просто подсчитывается импульс до столкновения.

Гость 17.05.2012 18:47

4) кинетическая энергия кубиков равна

мне кажеться что это некорректный ответ

По закону сохранения энергии E1=E2, где E1- энергия в самом начале, E2-

энергия в конце. E2=E"+E", где E"- энергия 1ого кубика, E" - энергия 2ого кубика.Нам требуется найти кин. энергию кубиков. Значит нужно найти сумму кин. энергий каждого кубика, т.е. E"+E". А E"+E"= m(v^2)/2 по закону сохранения энергии. значит и 2 и 4 ответ будут являться правильными.

Поэтому следует изменить ответ следующим образом: 4)кинетическая энергия каждого кубика равна

Алексей (Санкт-Петербург)

Добрый день!

Так как столкновение абсолютно неупругое, кинетическая энергия не сохраняется. Часть кинетической энергии первого кубика переходит в кинетическую энергию совместного движения кубиков, остальная энергия переходит в их внутреннюю энергию (кубики нагреваются).

Александр Сербин (Москва) 13.10.2012 20:26

Некорректная задача, непонятно что именно спрашивают. Импульс до взаимодействия или после?

Алексей (Санкт-Петербург)

Добрый день!

Импульс сохраняется для данной системы.

Гость 15.11.2012 15:26

Добрый день!

Почему после удара, импульс равен mv, а не 2mv, ведь после столкновения они движутся как единое целое(значит их масса равна 2m)?

Алексей (Санкт-Петербург)

Добрый день!

Все верно, масса равна , но скорость то теперь не . Правильный ответ получается после использования закона сохранения импульса.

Гость 19.12.2012 16:30

А чему будет равна их скорость после удара?

Алексей (Санкт-Петербург)

Добрый день!

Из закона сохранения импульса скорость после удара равна

Маятник массой m проходит точку равновесия со скоростью Через половину периода колебаний он проходит точку равновесия, двигаясь в противоположном направлении с такой же по модулю скоростью Чему равен модуль изменения импульса маятника за это время?

Решение.

Через половину периода проекция скорости маятника меняется на противоположную и становится равной Следовательно, модуль изменения импульса маятника за это время равен

Ответ: 3.

Ответ: 3

Я не понял, почему оба импульса имеют знак минус, если в условии сказано, что маятник поменял направление. Знаки же должны быть разные... да и потом если скорости по модулю массы одинаковы в обоих случаях, то изменение должно быть равно 0

Алексей (Санкт-Петербург)

Добрый день!

Минус в скобочка означает противоположный знак проекции, а второй минус - вычитает из конечного импульса начальный.

Модуль импульса не изменился, поэтому изменение модуля импульса равно нулю. А вот направление импульса поменялось на противоположное, поэтому модуль изменения импульса уже отличен от нуля.

Гость 24.01.2013 18:50

в условии написано что скорость 2го равна скорости 1го по модулю. То есть скорость 1го v, а скорость 2го [-v] (минус в по модулю).

имеем -mv]==0

если не так, прошу объяснить почему.

Алексей (Санкт-Петербург)

Добрый день!

Не так, именно поэтому в решении написано иначе))

Слова "с такой же по модулю скоростью " означают, что скорость тела не изменяется по величине. Нас спрашивают в задаче не про изменение модуля, а про модуль изменения. Это разные вещи. Направлении тела изменяется на противоположное, поэтому модуль изменения импульса не равен нулю.

Гость 25.01.2013 09:58

Мне кажется, что в задании серьёзный недочёт.

Чему равна скорость поезда? 10 км/ч. Скорость поезда это модуль вектора скорости, модуль вектора не может быть отрицательным, т.к. это его длина; отрицательной может быть только его проекция на координатную прямую.

В этой задаче надо найти модуль изменения импульса маятника, т.е. изменение импульса маятника взятое без знака. Импульс это вектор, и по аналогии со скоростью и другими векторными величинами (ускорение, сила) само слово "импульс" означает модуль вектора. Т. к. здесь ничего не говорится про проекцию, получается что нас просят найти "изменение модуля вектора импульса", или "длину вектора импульса", а эта величина равна нулю (вектор поменял направление, но длина осталась прежней; изменилась только проекция на ось x).

Именно по этой причине я выбрал четвёртый ответ, при том что прекрасно знаю физику.

Алексей (Санкт-Петербург)

Добрый день!

Слово "импульс" - обозначает физическую величину "импульс", который, как Вы верно заметили, является вектором. Ваш пример с поездом - это пример жаргона. Когда задается такой вопрос, все понимают, что подразумевается модуль вектора, то есть величина скорости. Точно также, можно на вопрос: "Сколько весит это тело?". Дать ответ: "1 кг", понимая, что нас спрашивают скорее всего все-таки про массу, а не про силу.

Так что никаких проблем с формулировкой нет. Есть импульс, он изменяется. Изменение вектора так же является вектором. Соответственно, модуль изменения импульса есть длина вектора равного разности конечного и начального векторов.

Маятник массой m проходит точку равновесия со скоростью Через четверть периода колебаний он достигает точки максимального удаления от точки равновесия. Чему равен модуль изменения импульса маятника за это время?

Решение.

Через четверть периода, когда маятник достигает точки максимального удаления, его скорость обращается в ноль. Следовательно, модуль изменения импульса маятника за это время равен

Ответ: 2.

Ответ: 2

Две тележки движутся навстречу друг другу с одинаковыми по модулю скоростями Массы тележек m и 2m . Какой будет скорость движения тележек после их абсолютно неупругого столкновения?

Решение.

Для тележек выполняется закон сохранения импульса, поскольку на систему не действует никаких внешних сил в горизонтально направлении:

Отсюда находим скорость тележек после абсолютно неупругого удара: Ответ: 4.

Ответ: 4

Алексей (Санкт-Петербург)

Добрый день!

Вы не совсем верно переписали строчку из решения. Так что поясню еще раз то, что написано в решении.

Эта формула — закон сохранения импульса, спроектированный на горизонтальную ось направленную вдоль вектора более тяжелой тележки.

Пусть вектор скорости тяжело тележки равен , тогда скорость легкой тележки равна, по условию, . Полный импульс системы до столкновения: . Обозначим вектор скорости после столкновения через , тогда импульс двух тележек после удара .