Energia i pęd · Pęd i zasada zachowania pędu
Pęd ciała. Zasada zachowania pędu
1. Pęd ciała i popęd siły (II zasada dynamiki w postaci pędowej)
### Definicja pędu ciała
Pęd ciała jest wektorową wielkością fizyczną zdefiniowaną jako iloczyn masy ciała i jego prędkości :
Właściwości pędu:
- kierunek i zwrot wektora pędu są takie same jak kierunek i zwrot prędkości,
- wartość pędu wynosi ,
- jednostką pędu w układzie SI jest:
Im większa masa ciała i im większa jego prędkość, tym większy jest jego pęd.
### II zasada dynamiki w postaci pędowej
Siła wypadkowa działająca na ciało jest związana ze zmianą jego pędu. Dla siły chwilowej:
Na poziomie licealnym bardzo często korzystamy z postaci dla wartości średnich w przedziale czasu :
Dla ciała o stałej masie otrzymujemy znaną postać II zasady dynamiki:
### Popęd siły i zmiana pędu
Popęd siły wypadkowej jest równy zmianie pędu ciała:
Dla ciała o stałej masie:
Jeżeli siła zmienia się w czasie, popęd odpowiada polu algebraicznemu pod wykresem odpowiedniej składowej siły w funkcji czasu.
### Bezpieczeństwo i czas zderzenia
Dla tej samej zmiany pędu:
Wydłużenie czasu zatrzymywania zmniejsza wartość średniej siły. Dlatego strefy zgniotu, poduszki powietrzne czy ugięcie nóg podczas lądowania zmniejszają siłę działającą na człowieka.
### Siła parcia strumienia cieczy na ścianę
Rozpatrzmy strumień cieczy o gęstości , polu przekroju i prędkości , który uderza prostopadle w ścianę i następnie spływa po niej bez odbicia.
W czasie do ściany dociera masa:
Jej składowa pędu prostopadła do ściany zmienia się o wartość:
Stąd średnia siła wywierana przez strumień na ścianę wynosi:
Jeżeli siła jest rozłożona równomiernie na powierzchni , średnie ciśnienie wynikające z oddziaływania strumienia wynosi:
Jest to wynik dla tego uproszczonego modelu i nie należy go utożsamiać z ogólnym wzorem na ciśnienie dynamiczne w równaniu Bernoulliego. Przy idealnym odbiciu strumienia w przeciwną stronę zmiana pędu jest dwukrotnie większa, więc:
2. Układy ciał i zasada zachowania pędu
### Układ ciał, siły wewnętrzne i zewnętrzne
Układem ciał nazywamy wybrany zestaw obiektów, który analizujemy jako całość.
- **Siły wewnętrzne** działają między ciałami należącymi do układu. Zgodnie z III zasadą dynamiki występują parami:
Dlatego ich suma dla całego układu jest równa zeru.
- **Siły zewnętrzne** pochodzą od obiektów spoza rozpatrywanego układu, np. od podłoża, powietrza lub Ziemi.
### Zasada zachowania pędu
Jeżeli wypadkowa sił zewnętrznych działających na układ jest równa zeru, całkowity pęd układu pozostaje stały:
Możemy więc zapisać:
Dla dwóch ciał:
Siły wewnętrzne mogą zmieniać pędy poszczególnych ciał, ale nie zmieniają całkowitego pędu izolowanego układu.
### Zachowanie pędu wzdłuż wybranej osi
Nie zawsze cały układ musi być izolowany we wszystkich kierunkach. Jeżeli wzdłuż wybranej osi, np. osi , wypadkowa sił zewnętrznych jest równa zeru, to zachowana jest składowa pędu wzdłuż tej osi:
To bardzo ważne np. w zadaniach z działem poruszającym się po poziomym podłożu: w pionie działa siła ciężkości i reakcja podłoża, ale w poziomie można często zastosować zasadę zachowania pędu.
### Wskakiwanie na poruszający się wózek
Jeżeli człowiek o masie porusza się z prędkością i wskakuje na wózek o masie poruszający się z prędkością , a po zderzeniu poruszają się razem, to wzdłuż wspólnej osi ruchu:
Stąd:
Jeżeli ciała poruszają się w przeciwnych kierunkach, jednej z prędkości nadajemy znak ujemny zgodnie z przyjętym zwrotem osi.
### Wskakiwanie prostopadle do kierunku ruchu
Jeżeli człowiek wskakuje na deskorolkę prostopadle do jej początkowego ruchu, zasadę zachowania pędu stosujemy osobno dla każdej osi.
Jeżeli deskorolka poruszała się początkowo wzdłuż osi , a człowiek nie miał początkowej składowej prędkości w tej osi, to:
Zatem:
Jest to tylko składowa końcowej prędkości w osi . Jeżeli człowiek miał początkowy pęd w osi , po wskoczeniu układ będzie miał również niezerową składową .
### Człowiek poruszający się po swobodnej łodzi
Jeżeli człowiek i łódź początkowo spoczywają, a poziome siły zewnętrzne można zaniedbać, środek masy całego układu pozostaje w tym samym miejscu względem brzegu.
Jeżeli i oznaczają przemieszczenia człowieka i łodzi **względem brzegu**, to:
Stąd:
W wielu zadaniach podana jest jednak droga przebyta przez człowieka **względem łodzi**. Wtedy wartość przesunięcia łodzi względem brzegu wynosi:
w kierunku przeciwnym do ruchu człowieka.
3. Zjawisko odrzutu i napęd odrzutowy
### Mechanizm zjawiska odrzutu
Zjawisko odrzutu jest konsekwencją zasady zachowania pędu. Jeżeli układ początkowo spoczywa, jego całkowity pęd wynosi zero. Po rozdzieleniu dwóch części układu ich pędy muszą mieć jednakowe wartości i przeciwne zwroty:
Stąd:
oraz dla wartości prędkości:
Cięższa część układu uzyskuje więc mniejszą wartość prędkości.
### Wystrzał z działa pod kątem
Jeżeli działo znajduje się na poziomym podłożu i może swobodnie cofać się w poziomie, zasadę zachowania pędu stosujemy w osi poziomej. Pocisk o masie ma poziomą składową prędkości:
Przy zaniedbaniu poziomego impulsu sił zewnętrznych:
więc:
W osi pionowej na działo działa siła reakcji podłoża, dlatego układ działo–pocisk nie jest w tym kierunku izolowany i nie stosujemy tam zasady zachowania pędu dla samego układu działo–pocisk.
Jeżeli po wystrzale działo jest hamowane stałą siłą tarcia , jego opóźnienie ma wartość:
Droga hamowania wynosi wtedy:
### Gazy prochowe — dokładniejszy model
W dokładniejszym opisie wystrzału należy uwzględnić także pęd gazów prochowych opuszczających lufę. W zadaniach szkolnych zazwyczaj informacja o tym, czy pęd gazów należy uwzględnić, wynika bezpośrednio z treści zadania. Jeżeli gazy pomijamy, bilans pędu obejmuje tylko broń i pocisk.
### Napęd odrzutowy
Rakieta porusza się dzięki wyrzucaniu gazów do tyłu. Gazy otrzymują pęd skierowany w jedną stronę, a rakieta — pęd skierowany przeciwnie.
W uproszczonym modelu, przy stałej szybkości wypływu gazów względem rakiety i stałym tempie ubytku masy, wartość siły ciągu można zapisać jako:
Ponieważ masa rakiety zmniejsza się podczas spalania paliwa, jej przyspieszenie nie musi być stałe. Nie należy więc automatycznie stosować wzoru z jednym stałym , chyba że treść zadania wyraźnie pozwala na takie uproszczenie.
4. Pułapki i najczęstsze błędy maturalne
### Najczęstsze pułapki egzaminacyjne
- **Znaki prędkości i wektorowy charakter pędu.** Przy odbiciu ciało zmienia zwrot prędkości, więc także zwrot pędu. Jeśli ciało odbija się sprężyście z taką samą wartością prędkości:
zatem:
- **Prędkość względna a prędkość względem podłoża.** Jeżeli w zadaniu podano prędkość człowieka względem wózka, nie można jej od razu wstawić do bilansu pędu liczonego w układzie związanym z Ziemią. Najpierw trzeba ustalić prędkość w tym samym układzie odniesienia dla wszystkich ciał.
- **Zachowanie pędu tylko w wybranym kierunku.** Jeżeli w osi wypadkowa sił zewnętrznych jest równa zeru, można zapisać zachowanie , nawet jeśli w osi działają siły zewnętrzne. Przykładem jest odrzut działa znajdującego się na poziomym podłożu.
- **Zasada zachowania pędu dotyczy układu ciał.** Dla pojedynczego ciała, na które działa zewnętrzna siła wypadkowa, jego pęd nie musi być zachowany. Przykładowo pęd swobodnie spadającego ciała zmienia się pod wpływem siły ciężkości.
- **Pęd gazów uwzględniamy tylko wtedy, gdy wymaga tego model zadania.** W prostych zadaniach szkolnych o odrzucie broni najczęściej rozpatruje się tylko broń i pocisk. Jeśli treść zadania podaje dane dotyczące gazów, należy uwzględnić także ich pęd.
- **Rakieta nie musi mieć stałego przyspieszenia.** Jej masa zmienia się podczas spalania paliwa, więc bez dodatkowych założeń nie można traktować jej ruchu jako jednostajnie przyspieszonego.
- **Nie myl zasady zachowania pędu z zasadą zachowania energii kinetycznej.** W układzie izolowanym pęd jest zachowany zarówno w zderzeniach sprężystych, jak i niesprężystych. Energia kinetyczna jest zachowana w zderzeniu sprężystym. W zderzeniu niesprężystym część energii kinetycznej przechodzi m.in. w energię wewnętrzną i energię związaną z odkształceniami.