Przykłady: zderzenia ciał

Zderzenie, to proces w którym na uczestniczące w nim ciała działają wielkie siły, ale w stosunkowo krótkim czasie. Wynikają z tego ważne dla praktycznej analizy wnioski :

Działające podczas zderzenia siły są na ogół o wiele większe od innych, długotrwałych sił zewnętrznych działających równocześnie. Te inne siły można na ogół pominąć rozpatrując proces zderzenia. Czas zderzenia jest na tyle krótki, że wyraźnie można wydzielić stan zderzających się ciał "przed" i "po" zderzeniu. Siły występujące podczas zderzenia można zaliczyć do sił wewnętrznych działających w układzie, zamkniętym który stanowią zderzające się obiekty.

Fot.4.2. Analiza zderzeń cząstek elementarnych i jąder atomowych stanowi ważny element badań w fizyce jądrowej. Na zdjęciu, zderzenia dwóch jąder węgla (z lewej) oraz  jądra węgla z jądrem tantalu (z prawej) zarejestrowane w propanowej komorze pęcherzykowej Zjednoczonego Instytutu Badań Jądrowych w Dubnej. Są to przykłady zderzeń niesprężystych, w których część energii zużyta jest na rozbicie jąder i produkcję nowych cząstek.

Jeżeli podczas zderzenia zachowana jest energia kinetyczna, to zderzenie takie nazywamy zderzeniem sprężystym, jeżeli zachowana nie jest - zderzeniem niesprężystym. Prawo zachowania pędu stosować można zawsze, jeśli tylko założenie o braku sił zewnętrznych działających na układ jest spełnione. (W praktyce, można stosować często i w przypadkach gdy na układ zderzających się ciał działają siły zewnętrzne ze względu na wymienioną w punkcie 1. właściwość zderzeń.)  Jeśli przed zderzeniem ciała poruszały się wzdłuż jednej prostej, to ich zderzenie nazywamy centralnym , jeśli wzdłuż prostych nie pokrywających się, to zderzenie nazywamy niecentralnym lub peryferycznym. 

Badania zderzeń mają zwykle na celu uzyskanie możliwie najpełniejszej informacji o ruchu ciał po zderzeniu na podstawie znajomości stanu początkowego zderzających się ciał.  W tym celu stosuje się prawa zachowania  do stanów układu ciał przed i po zderzeniu. Okazuje się, że nawet bez znajomości sił działających w procesie zderzenia i wykorzystując jedynie prawa zachowania możemy dowiedzieć się wiele o badanym przez nas procesie.  

Rozpatrzymy sprężyste zderzenie centralne, na przykładzie  zderzenia kul o masach
  i
poruszających się wzdłuż jednej prostej z prędkościami
i
w danym układzie odniesienia. 

Rys.4.4. Kule poruszające się z różnymi prędkościami wzdłuż jednej prostej.

Zapiszmy prawa zachowania. Mówią one, że suma pędów oraz energii kinetycznych przed i po zderzeniu są sobie równe. Indeksem ( ' ) oznaczymy prędkości kul po zderzeniu. Rozpatrujemy przypadek jednowymiarowy, wiec zasadę zachowania pędu zapiszemy w postaci skalarnej zakładając, że zwroty wszystkich wektorów pędów są jednakowe.  Prawo zachowania pędu: (4,18) Prawo zachowania energii: (4,19)

Przepiszmy te równania nieco inaczej. Równanie (4,18) zapisujemy w postaci

(4,20)

Analogicznie przepisujemy równanie (4,19) 

(4,21)

Dzieląc stronami równanie (4,21) przez (4,20) i wykonując elementarne działania arytmetyczne otrzymujemy związek, który jest niezależny od mas zderzających się kul. (Zakładamy, że różnice prędkości w równaniu (4,20) nie są równe zeru.)

,

(4,22)

Związek ten można przepisać w postaci

(4.23)

Uzyskaliśmy pierwszy rezultat. Prędkość zbliżania się kul przed zderzeniem równa jest prędkości ich oddalania się po zderzeniu czyli ich prędkości względne przed i po zderzeniu są takie same.

Możemy teraz  wyznaczyć prędkości kul po zderzeniu. Z  równanie (4,23) widać, że 

(4,24)

Podstawiając to do równania (4,20)  możemy wyznaczyć prędkość pierwszej kuli po zderzeniu

(4.25)

Podobnie uzyskuje się wzór na prędkość drugiej kuli po zderzeniu

(4,26)

Uzyskaliśmy poszukiwane wzory ogólne na prędkości kul po zderzeniu. Rozpatrzmy teraz  kilka szczególnych i ciekawych przypadków podstawiając założone warunki do wzorów (4,25) i (4,26). Zamieszczona poniżej tabela określa te warunki i  pokazuje ich ilustrację graficzną przed i po zderzeniu. 

	Warunek	Przed zderzeniem	Po zderzeniu
A
		kule wymienią się prędkościami	oraz
B
		pierwsza kula zatrzymuje się po zderzeniu, druga porusza się z prędkością pierwszej przed zderzeniem	oraz
C
		pierwsza kula odbije się z prawie niezmienioną prędkością, druga (praktycznie) pozostaje w spoczynku	oraz
D
		pierwsza kula prawie nie zmieni swej prędkości, druga uzyska podwójną prędkość pierwszej	oraz

Rys.4.5. Różne przypadki zderzeń sprężystych kul

Podamy dwa przykłady opisanych tu przypadków zderzeń sprężystych. 

Pierwszy dotyczy procesu spowalniania neutronów. Jak osłonić się przed strumieniem szybkich neutronów? Czy stawiać ścianę z ołowiu, czy może zastosować "płaszcz" wodny? Neutrony nie posiadają ładunku elektrycznego i nie wywołują jonizacji ale ulegają sprężystym rozproszeniom na jądrach atomowych. Kiedy neutron trafia w ośrodek złożony z ciężkich jąder, to jego zachowanie podobne jest do zachowania się kuli pierwszej z przykładu C. Neutron będzie odbijał się wielokrotnie od ciężkich jąder, ale jego energia pozostanie prawie niezmieniona. W rezultacie opuści materiał i nie zostanie zahamowany. Kiedy jednak znajdzie się w ośrodku złożonym z lekkich jąder, to bardzo szybko nastąpi wymiana jego energii z innymi jądrami o niewielkiej masie, podobnie jak w rozpatrywanym przez nas przypadku B. Widać, że znacznie lepszym materiałem spowalniającym neutrony jest woda, bowiem jądrami atomów wodoru są protony o masie bardzo bliskiej masy neutronów. Jądra ołowiu mają zaś masę ponad 200 razy większą od masy neutronu.

Drugi przykład - to odbijanie piłki o powierzchnię Ziemi. Masa Ziemi jest znacznie większa od masy piłki i prędkość Ziemi przed i po zderzeniu jest praktycznie taka sama, zaś piłka odbija się w przeciwnym kierunku i z podobną prędkością, podobnie jak w przykładzie C. 

Gdyby po zderzeniu kule zlepiły się i dalej poruszały wspólnie z tą tamą prędkością mielibyśmy do czynienia ze zderzeniem całkowicie niesprężystym, zwanym tez - doskonale plastycznym. W takim zderzeniu nie jest zachowana energia kinetyczna, kule zwykle ulegają odkształceniu i rozgrzaniu, pewna energia zużyta jest na ich zlepienie itp. Spełnione jest jednak prawo zachowania pędu.  (4.27)  Z równania tego natychmiast wyznaczmy wspólną prędkość połączonych razem kul (4,28)

W układzie odniesienia poruszającym się z prędkością
pęd połączonych z sobą kul wynosi oczywiście zero, bo w swym własnym układzie kule nie poruszają się. Wynika stąd ciekawy wniosek. Prędkość
, to prędkość przy której sumaryczny pęd kul był równy zeru także przed zderzeniem, co wynika bezpośrednio z zasady zachowania pędu. Konsekwentnie - także sumaryczny pęd kul po zderzeniu sprężystym musi być równy zeru w tym układzie, ponieważ jest równy pędowi kul przed zderzeniem. Układ, w którym sumaryczny pęd wszystkich ciał wchodzących w jego skład równy jest zeru nazywamy układem środka masy.

---