09 Zasada zachowania pedu (10)

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

x

y

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

m

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.

v

Jaka jest energia kinetyczna obręczy ?

2

2

2

,

2

wzg

rot

kcalkowita

m

m

E

v

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


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
09 Zasada zachowania pędu Iid 8057
09 zasada zachowania pędu
10 zasada zachowania pędu II
10 Zasada zachowania pędu II
ZASADA ZACHOWANIA PĘDU, STUDIA, SEMESTR I, Mechanika, Mechanika Wyklady, Mechanika net
lista 06 zasada zachowania pędu
pawlikowski, fizyka, praca i energia; zasada zachowania pędu
zasada zachowania pędu, studia, fizyka

więcej podobnych podstron