background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

Wykład 9 

9.  Zasada zachowania pędu 

9.1 Środek masy 

Dotychczas przedmioty traktowaliśmy jak punkty materialne, tzn. cząsteczki bez-

wymiarowe (objętość = 0) obdarzone masą co wystarczało w przypadku ruchu postę-
powego bo ruch jednego punktu odzwierciedlał ruch całego ciała. 
W ogólnym przypadku ruch układu cząsteczek może być bardzo skomplikowany np.  
•  ciało może wirować lub drgać.  
•  w trakcie ruchu cząsteczki mogą zmieniać swoje wzajemne położenie. 
Przykład ciała wirującego jest pokazany na rysunku poniżej. 

 

Zauważmy, że istnieje w tym układzie jeden punkt, który porusza się po linii prostej 

ze stałą prędkością. Żaden inny punkt nie porusza się w ten sposób. Ten punkt to 

środek 

masy

. Zajmiemy się ruchem tego punktu. 

Zacznijmy od przypomnienia pojęcia 

średniej ważonej

. W tym celu rozważmy prosty 

układ, w którym mamy do czynienia z dwoma skrzynkami zawierającymi np. jabłka 
o różnej masie. W jednej mamy n

1

 jabłek, każde o masie m

1

, w drugiej n

2

, każde o ma-

sie m

2

. Spróbujmy policzyć jaka jest średnia masa jabłka. 

 

2

2

1

2

1

2

1

1

śred.

m

n

n

n

m

n

n

n

m

+

+

+

=

 

czyli 

2

1

2

2

1

1

śred.

n

n

m

n

m

n

m

+

+

=

 

 
To jest 

średnia ważona

 (wagami są  ułamki ilości jabłek w skrzynce). Uwzględniamy 

w ten sposób fakt, że liczby jabłek nie są równe. 

Natomiast 

środek masy jest po prostu średnim położeniem przy czym masa jest czyn-

nikiem ważącym przy tworzeniu średniej

Np. dla dwóch różnych mas m

1

 i m

2

 

 

9-1 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

x

œrm

 

m

1

 

m

2

 

x

1

 

x

2

 

 

2

2

1

2

1

2

1

1

x

m

m

m

x

m

m

m

x

śrm

+

+

+

=

 

czyli 

2

1

2

2

1

1

m

m

x

m

x

m

x

śrm

+

+

=

 

 
Dla n mas leżących wzdłuż linii prostej otrzymamy 
 

=

=

=

+

+

+

+

+

+

=

n

i

i

n

i

i

i

n

n

n

śrm

m

x

m

m

m

m

x

m

x

m

x

m

x

1

1

2

1

2

2

1

1

.....

.....

 

 

ponieważ suma 

 jest całkowitą masą układu to możemy zapisać 

M

m

n

i

i

=

=1

=

=

n

i

i

i

śrm

x

m

Mx

1

 

 
Gdyby punkty nie leżały na jednej prostej to wówczas środek masy znajdziemy postę-
pując dla każdej ze współrzędnych analogicznie jak powyżej. 
Otrzymamy więc 

=

=

=

+

+

+

+

+

+

=

n

i

i

n

i

i

i

n

n

n

śrm

m

x

m

m

m

m

x

m

x

m

x

m

x

1

1

2

1

2

2

1

1

.....

.....

 

oraz 

=

=

=

+

+

+

+

+

+

=

n

i

i

n

i

i

i

n

n

n

śrm

m

y

m

m

m

m

y

m

y

m

y

m

y

1

1

2

1

2

2

1

1

.....

.....

 

 

9-2 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

Zwróćmy uwagę, że układ dwóch równań skalarnych można zastąpić przez jedno zwię-
złe równanie wektorowe 
 

 

M

m

n

i

i

i

śrm

=

=

1

r

r

 (9.1) 

 
Uogólnienie na trzy wymiary jest automatyczne. 
Zauważmy,  że 

środek masy układu punktów materialnych zależy tylko od mas tych 

punktów i od wzajemnego ich rozmieszczenia

 (nie zależy od wyboru układu odniesie-

nia). 

Przykład 1 

Znaleźć środek masy układu trzech cząstek o masach m

1

 = 1kg, m

2

 = 2kg i m

3

 = 3kg, 

umieszczonych w rogach równobocznego trójkąta o boku 1m. 
Ponieważ wynik nie zależy od wyboru układu odniesienia to możemy przyjąć układ tak 
jak na rysunku. 

 

m

1

 

m

2

 x 

m

3

 

3

2

 

½

 

 

x

śrm

 = (m

1

x

1

 + m

2

x

2

 + m

3

x

3

)/M = (1kg·0m + 2kg·1m + 3kg·0.5m)/6kg = 7/12m 

y

śrm

 = (m

1

y

1

 + m

2

y

2

 + m

3

y

3

)/M = (1kg·0m + 2kg·0m+3kg·

3

2

m)/6kg = 

3

4

Uwaga: położenie środka masy nie pokrywa się z geometrycznym środkiem. 
Przedyskutujmy teraz fizyczne znaczenie środka masy. 

9.2 Ruch środka masy 

Rozważmy układ punktów materialnych o masach m

1

m

2

m

3

 ..., m

n

 i o stałej cał-

kowitej masie M. Na podstawie równania (9.1) możemy napisać 
 

Mr

śrm

 = m

1

r

1

 + m

2

r

2

 +.......+ m

n

r

n

 

 
gdzie r

śrm

 jest środkiem masy w określonym układzie odniesienia. Różniczkując (wzglę-

dem czasu) powyższe równanie otrzymamy 
 

t

m

t

m

t

m

t

M

n

n

śrm

d

d

......

d

d

d

d

d

d

2

2

1

1

r

r

r

r

+

+

+

=

 

 

9-3 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

lub 

M

v

śrm

 = m

1

v

1

 + m

2

v

2

 +.....+ m

n

v

n

 

 
Jeżeli ponownie zróżniczkujemy otrzymane powyżej równanie to otrzymamy 
 

t

m

t

m

t

m

t

M

n

n

śrm

d

d

......

d

d

d

d

d

d

2

2

1

1

v

v

v

v

+

+

+

=

 

lub 

Ma

śrm

 = m

1

a

1

 + m

2

a

2

 + .......+ m

n

a

n

 

 
czyli 

Ma

śrm

 = F

1

 + F

2

 + ...........+ F

n

 

 
Wobec tego możemy napisać 
 
  

Ma

śrm

 = F

zew

  

(9.2) 

 
Z równania (9.2) wynika, że 

środek masy układu punktów materialnych porusza się w 

taki sposób, jakby cała masa układu była skupiona w środku masy i jakby wszystkie siły 
zewnętrzne nań działały

. 

To twierdzenie obowiązuje dla każdego układu punktów materialnych. 
•  Układ może być ciałem sztywnym (punkty mają stałe położenia względem siebie). 
Wtedy przy obliczeniach środka masy sumowanie zastępujemy całkowaniem. 
•  Układ może być zbiorem cząsteczek, w którym występują wszystkie rodzaje ruchu 
wewnętrznego. 
Uwaga: 
Gdy siłą zewnętrzną jest siła ciężkości to wtedy działa ona na 

środek ciężkości

. W roz-

ważanych przypadkach te dwa środki się pokrywają. 
Pojęcie  środka masy jest bardzo użyteczne np. do obliczania energii kinetycznej. Ob-
liczmy E

k

 mierzone w układzie środka masy. 

 

2

)

(

)

(

2

,

,

,

+

+

=

=

wzg

i

śrm

wzg

i

śrm

i

i

calkowita

k

m

m

E

v

v

v

v

2

i

v

 

 
gdzie 

v

wzgl

 jest prędkością mierzoną w układzie  środka masy. Wykonując mnożenie 

skalarne otrzymamy 
 

+

+

=

2

2

2

,

,

2

,

wzg

i

i

wzg

i

i

śrm

śrm

i

calkowita

k

m

m

m

E

v

v

v

v

 

Ponieważ (jak pokazaliśmy wcześniej) wyraz drugi równa się iloczynowi M razy pręd-
kość środka masy (M

v

śrm

 = m

1

v

1

 + m

2

v

2

 +.....+ m

n

v

n

). W układzie środka masy, w któ-

rym mierzymy, 

v

śrm

 = 0 więc drugi wyraz znika. 

Zatem 

'

2

2

k

śrm

kcalkowita

E

M

E

+

v

 

 

9-4 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 
gdzie E

k

'

 jest energią kinetyczną mierzoną w układzie środka masy. Dla ciał sztywnych 

to równanie przyjmuje postać 
 

'

2

2

rot

śrm

kcalkowita

E

M

E

+

v

 

 
gdyż w układzie środka masy ciało sztywne może mieć tylko energię rotacyjną (obro-
tową). 

Przykład 2 

Obręcz o masie m toczy się po płaszczyźnie tak, że środek obręczy ma prędkość v.  

 

 

Jaka jest energia kinetyczna obręczy ? 
 

2

2

2

,

2

wzg

rot

kcalkowita

m

m

E

v

+

=

 

 
gdzie 

v

rot,wzg

 to prędkość obręczy w układzie  środka masy. Ponieważ obserwator 

w układzie środka masy widzi obręcz obracającą się z prędkością 

v

 więc 

v

rot,wzg

 = 

v

Stąd 

2

2

2

2

2

v

v

v

m

m

m

E

kcalkowita

=

+

=

 

 
Zauważmy, że obręcz ma energię dwa razy większą od ciała o masie m poruszającego 
się z tą samą prędkością 

v

 (ale nie obracającego się). 

9.3 Pęd układu punktów materialnych 

Zdefiniowaliśmy już pęd punktu materialnego jako iloczyn jego masy m i prędkości 

v. Pokazaliśmy również, że II zasada dynamiki Newtona ma postać 
 

t

d

dp

F

=

 

 
Przypuśćmy jednak, że zamiast pojedynczego punktu mamy do czynienia z układem n 
punktów materialnych o masach m

1

, ......, m

n

. Zakładamy, że masa układu (M) pozostaje 

stała. Każdy punkt będzie miał pewną prędkość i pewien pęd. Układ jako całość będzie 
miał całkowity pęd  P w określonym układzie odniesienia będący sumą geometryczną 
pędów poszczególnych punktów w tym układzie odniesienia 

 

9-5 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

 

P = p

1

 + p

2

 + ......... + p

n

 

 
Jeżeli porównamy tę zależność z równaniem  
 

M

v

śrm

 = m

1

v

1

 + m

2

v

2

 +.....+ m

n

v

n

 

to otrzymujemy 

P = M

v

śrm

 

 
Treść tego równania można wyrazić następująco: 

Całkowity pęd układu punktów mate-

rialnych jest równy iloczynowi całkowitej masy układu i prędkości jego środka masy

Ponieważ F

zew

 = Ma

śrm

, to II zasada dynamiki Newtona dla układu punktów material-

nych przyjmuje postać 
 

 

t

zew

d

d

P

F

=

 (9.3) 

bo 

srm

srm

M

t

M

t

a

P

=

=

d

d

d

d

v

 

9.4 Zasada zachowania pędu 

Przypuśćmy, że suma sił zewnętrznych działających na układ jest równa zeru. Wtedy na 
podstawie równania (9.3) 
 

.

const

albo

0

d

d

=

=

P

P

t

 

 
Zasada zachowania pędu: 

Jeżeli wypadkowa sił zewnętrznych działających na układ jest 

równa zeru, całkowity wektor pędu układu pozostaje stały

. 

Zobaczymy jak ta zasada stosuje się do różnych sytuacji fizycznych. Omówimy teraz 
pojęcie sił zewnętrznych dla danego układu - jak wybrać układ i jak stosować zasadę 
zachowania pędu. 

Przykład 3 

Rozważmy dwa ciała o masach m

A

 i m

B

 połączone nieważką sprężyną umieszczone 

na doskonale gładkim stole. Odciągamy od siebie te ciała na pewną odległość, a następ-
nie puszczamy swobodnie (rysunek). 

 

Spróbujmy opisać ruch tych ciał. 

Najpierw ustalamy z czego składa się rozważany układ. Przyjmujemy, że tworzą go 

obie masy + sprężyna. Jeżeli tak to nie działa żadna siła zewnętrzna (działają siły po-

 

9-6 

background image

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

 

między elementami układu czyli siły wewnętrzne). Możemy teraz zastosować zasadę 
zachowania pędu. Przed zwolnieniem ciał pęd układu (w odniesieniu do stołu) był rów-
ny zeru. I taki pozostaje po ich zwolnieniu. Chociaż ciała poruszają się ich pęd może 
być równy zeru, ponieważ pęd będący wielkością wektorową jest sumą dodatniego pę-
du ciała A (porusza się w kierunku +x) i ujemnego pędu ciała B (porusza się w kierunku 
-x). Z zasady zachowania pędu 
 

pęd początkowy = pęd końcowy 

 

0 = m

A

v

A

 + m

B

v

B

 

Zatem 

m

B

v

B

 = - m

A

v

A

 

lub 

v

A

 = – m

B

v

B

/m

A

 

 
Np. gdy m

A

 = 2kg i m

B

 = 1kg to 

v

A

 jest równa połowie 

v

B

 i ma zwrot przeciwny. 

 

Przykład 4 

Ta sama zasada obowiązuje w fizyce jądrowej i atomowej. Jako przykład rozpatrzmy 
rozpad promieniotwórczy. Cząstka 

α (jądro atomu helu) emitowana jest z prędkością 

1.4·10

7

 m/s i z energią kinetyczną 4.1 MeV przez jądro uranu 238, pozostające począt-

kowo w spoczynku. Znaleźć prędkość odrzutu powstałego jądra toru 234. 
Jako układ rozpatrujemy jądro toru 234 + cząstkę 

α (przed rozpadem po prostu jądro 

uranu 238). Ze względu na nieobecność sił zewnętrznych pęd układu, który przed roz-
padem był równy zeru po rozpadzie pozostaje niezmieniony. 
 

pęd początkowy = pęd końcowy 

 

0 = M

α

v

α

 + M

Th

v

Th

 

więc 

v

Th

 = - M

α

v

α

/M

Th

 = - 4·1.4·10

7

/234 = -2.4·10

5

 m/s 

 

 

9-7