И́мпульс (Коли́честводвиже́ния ) - векторная физическая величина, являющаяся мерой механического движения тела. В классической механике импульс тела равен произведению массы m этого тела на его скорость v , направление импульса совпадает с направлением вектора скорости:
Импульс системы частиц есть векторная сумма импульсов ее отдельных частиц: p=(сумм)p i , где p i – импульс i-й частицы.
Теорема об изменении импульса системы : полный импульс системы можно изменить только действием внешних сил: Fвнеш=dp/dt(1), т.е. производная импульса системы по времени равна векторной сумме всехвнешних сил, действующих на частицы системы. Как и в случае одной частицы, из выражения (1) следует, что приращение импульса системы равно импульсу результирующей всех внешних сил за соответствующий промежуток времени:
p2-p1= t & 0 F внешн dt.
В классической механике полным импульсом системы материальных точек называется векторная величина, равная сумме произведений масс материальных точек на их скорости:
соответственно величина называется импульсом одной материальной точки. Это векторная величина, направленная в ту же сторону, что и скорость частицы. Единицей измерения импульса в Международной системе единиц (СИ) является килограмм-метр в секунду (кг·м/с).
Если мы имеем дело с телом конечного размера, не состоящим из дискретных материальных точек, для определения его импульса необходимо разбить тело на малые части, которые можно считать материальными точками и просуммировать по ним, в результате получим:
Импульс системы, на которую не действуют никакие внешние силы (или они скомпенсированы), сохраняется во времени:
Сохранение импульса в этом случае следует из второго и третьего закона Ньютона: написав второй закон Ньютона для каждой из составляющих систему материальных точек и просуммировав по всем материальным точкам, составляющим систему, в силу третьего закона Ньютона получим равенство (*).
В релятивистской механике трёхмерным импульсом системы невзаимодействующих материальных точек называется величина
,
где m i - масса i -й материальной точки.
Для замкнутой системы не взаимодействующих материальных точек эта величина сохраняется. Однако трёхмерный импульс не есть релятивистски инвариантная величина, так как он зависит от системы отсчёта. Более осмысленной величиной будет четырёхмерный импульс, который для одной материальной точки определяется как
На практике часто применяются следующие соотношения между массой, импульсом и энергией частицы:
В принципе, для системы невзаимодействующих материальных точек их 4-импульсы суммируются. Однако для взаимодействующих частиц в релятивистской механике следует учитывать импульсы не только составляющих систему частиц, но и импульс поля взаимодействия между ними. Поэтому гораздо более осмысленной величиной в релятивистской механике является тензор энергии-импульса, который в полной мере удовлетворяет законам сохранения.
Свойства импульса
· Аддитивность. Это свойство означает, что импульс механической системы, состоящей из материальных точек, равен сумме импульсов всех материальных точек, входящих в систему.
· Инвариантность по отношению к повороту системы отсчета.
· Сохранение. Импульс не изменяется при взаимодействиях, изменяющих лишь механические характеристики системы. Это свойство инвариантно по отношению к преобразованиям Галилея Свойства сохранения кинетической энергии, сохранения импульса и второго закона Ньютона достаточно, чтобы вывести математичекую формулу импульса.
Зако́нсохране́нияи́мпульса (Зако́нсохране́ния количества движения) - векторная сумма импульсов всех тел системы есть величина постоянная, если векторная сумма внешних сил, действующих на систему, равна нулю.
В классической механике закон сохранения импульса обычно выводится как следствие законов Ньютона. Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил.
Как и любой из фундаментальных законов сохранения, закон сохранения импульса связан, согласно теореме Нётер, с одной изфундаментальных симметрий, - однородностью пространства
Изменение импульса тела равно импульсу равнодействующей всех сил, действующих на тело. Это иная формулировка второго закона Ньютона
ИМПУЛЬС ТЕЛА
Импульс тела - это физическая векторная величина, равная произведению массы тела на его скорость.
Вектор импульса тела направлен так же как и вектор скорости этого тела.
Под импульсом системы тел понимают сумму импульсов всех тел этой системы: ∑p=p 1 +p 2 +... . Закон сохранения импульса: в замкнутой системе тел при любых процессах ее импульс остается неизменным, т.е. ∑p = const.
(Замкнутой называется система тел, взаимодействующих только друг с другом и не взаимодействующих с другими телами.)
Вопрос2. Термодинамическое и статистическое определение энтропии. Второе начало термодинамики.
Термодинамическое определение энтропии
Понятие энтропии было впервые введено в 1865 году Рудольфом Клаузиусом. Он определил изменение энтропии термодинамической системы при обратимом процессе как отношение изменения общегоколичества тепла к величинеабсолютной температуры :
Эта формула применима только для изотермического процесса (происходящего при постоянной температуре). Её обобщение на случай произвольного квазистатического процесса выглядит так:
где - приращение (дифференциал) энтропии, а- бесконечно малое приращение количества теплоты.
Необходимо обратить внимание на то, что рассматриваемое термодинамическое определение применимо только к квазистатическим процессам (состоящим из непрерывно следующих друг за другом состояний равновесия).
Статистическое определение энтропии: принцип Больцмана
В 1877 году Людвиг Больцман нашёл, что энтропия системы может относиться к количеству возможных «микросостояний» (микроскопических состояний), согласующихся с их термодинамическими свойствами. Рассмотрим, например, идеальный газ в сосуде. Микросостояние определено как позиции и импульсы (моменты движения) каждого составляющего систему атома. Связность предъявляет к нам требования рассматривать только те микросостояния, для которых: (I) месторасположения всех частей расположены в рамках сосуда, (II) для получения общей энергии газа кинетические энергии атомов суммируются. Больцман постулировал, что:
где константу 1,38 · 10 −23 Дж/К мы знаем теперь как постоянную Больцмана, а является числом микросостояний, которые возможны в имеющемся макроскопическом состоянии (статистический вес состояния).
Второе начало термодинамики - физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.
Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.
Билет 6.
§ 2.5. Теорема о движении центра масс
Соотношение (16) очень похоже на уравнение движения материальной точки. Попробуем привести его к еще более простому виду F =ma . Для этого преобразуем левую часть, воспользовавшись свойствами операции дифференцирования (y+z) =y +z , (ay) =ay , a=const:
(24)
Домножим и разделим (24) на массу всей системы и подставим в уравнение (16):
. (25)
Выражение, стоящее в скобках, имеет размерность длины и определяет радиус-вектор некоторой точки, которая называетсяцентром масс системы:
. (26)
В проекциях на оси координат (26) примет вид
(27)
Если (26) подставить в (25), то получим теорему о движении центра масс:
т.е. центр масс системы движется, как материальная точка, в которой сосредоточена вся масса системы, под действием суммы внешних сил, приложенных к системе. Теорема о движении центра масс утверждает, что какими бы сложными ни были силы взаимодействия частиц системы друг с другом и с внешними телами и как бы сложно эти частицы ни двигались, всегда можно найти точку (центр масс), движение которой описывается просто. Центр масс некая геометрическая точка, положение которой определяется распределением масс в системе и которая может не совпадать ни с одной из ее материальных частиц.
Произведение массы системы на скорость v ц.м ее центра масс, как это следует из его определения (26), равно импульсу системы:
(29)
В частности, если сумма внешних сил равна нулю, то центр масс движется равномерно и прямолинейно или покоится.
|
|
Центр масс "полетит" по той же параболической траектории, по которой двигался бы неразорвавшийся снаряд: его ускорение в соответствии с (28) определяется суммой всех сил тяжести, приложенных к осколкам, и общей их массой, т.е. тем же уравнением, что и движение целого снаряда. Однако, как только первый осколок ударится о Землю, к внешним силам силам тяжести добавится сила реакции Земли и движение центра масс исказится.
|
|
Поскольку геометрическая сумма внешних сил равна нулю, ускорение центра масс также равно нулю и он останется в покое. Тело будет вращаться вокруг неподвижного центра масс.
Есть ли какие-либо преимущества у закона сохранения импульса перед законами Ньютона? В чем сила этого закона?
Главное его достоинство в том, что он носит интегральный характер, т.е. связывает характеристики системы (ее импульс) в двух состояниях, разделенных конечным промежутком времени. Это позволяет получить важные сведения сразу о конечном состоянии системы, минуя рассмотрение всех промежуточных ее состояний и деталей происходящих при этом взаимодействий.
2) Скорости молекул газа имеют различные значения и направления, причем из-за огромного числа соударений, которые ежесекундно испытывает молекула, скорость ее постоянно изменяеться. Поэтому нельзя определить число молекул, которые обладают точно заданной скоростью v в данный момент времени, но можно подсчитать число молекул, скорости которых имеют значение, лежащие между некоторыми скоростями v 1 и v 2 . На основании теории вероятности Максвелл установил закономерность, по которой можно определить число молекул газа, скорости которых при данной температуре заключены в некотором интервале скоростей. Согласно распределению Максвелла, вероятное число молекул в единице объема; компоненты скоростей которых лежат в интервале от до, отдои отдо, определяются функцией распределения Максвелла
где m - масса молекулы, n - число молекул в единице объема. Отсюда следует, чтсг число молекул, абсолютные значения скоростей которых лежат в интервале от v до v + dv, имеет вид
Распределение Максвелла достигает максимума при скорости , т.е. такой скорсти, к которой близки скорости большинства молекул. Площадь заштрихованной полоски с основанием dV покажет, какая часть от общего числа молекул имеет скорости, лежащие в данном интервале. Конкретный вид функции распределения Максвелла зависит от рода газа (массы молекулы) и температуры. Давление и объем газа на распределение молекул по скоростям не влияет.
Кривая распределения Максвелла позволит найти среднюю арифметическую скорость
Таким образом,
С Повышением температуры наиболее вероятная скорость возрастает, поэтому максимум распределения молекул по скоростям сдвигается в сторону больших скоростей, а его абсолютная величина уменьшается. Следовательно, при нагревании газа доля молекул, обладающих малыми скоростями уменьшается, а доля молекул с большими скоростями увеличивается.
Распределение Больцмана
Это распределение по энергиям частиц (атомов, молекул) идеального газа в условиях термодинамического равновесия. Распределение Больцмана было открыто в 1868 - 1871 гг. австралийским физиком Л. Больцманом. Согласно распределению, число частиц n i с полной энергией E i равно:
n i =A ω i e E i /Kt (1)
где ω i - статистический вес (число возможных состояний частицы с энергией e i). Постоянная А находится из условия, что сумма n i по всем возможным значениям i равна заданному полному числу частиц N в системе (условие нормировки):
В случае, когда движение частиц подчиняется классической механике, энергию E i можно считать состоящей из кинетической энергии E iкин частицы (молекулы или атома), её внутренней энергии E iвн (напр., энергии возбуждения электронов) и потенциальной энергии E i , пот во внешнем поле, зависящей от положения частицы в пространстве:
E i = E i, кин + E i, вн + E i, пот (2)
Распределение частиц по скоростям является частным случаем распределения Больцмана. Оно имеет место, когда можно пренебречь внутренней энергией возбуждения
E i,вн и влиянием внешних полей E i,пот. В соответствии с (2) формулу (1) можно представить в виде произведения трёх экспонент, каждая из которых даёт распределение частиц по одному виду энергии.
В постоянном поле тяжести, создающем ускорение g, для частиц атмосферных газов вблизи поверхности Земли (или др. планет) потенциальная энергия пропорциональна их массе m и высоте H над поверхностью, т.е. E i, пот = mgH. После подстановки этого значения в распределение Больцмана и суммирования по всевозможным значениям кинетической и внутренней энергий частиц получается барометрическая формула, выражающая закон уменьшения плотности атмосферы с высотой.
В астрофизике, особенно в теории звёздных спектров, распределение Больцмана часто используется для определения относительной заселённости электронами различных уровней энергии атомов. Если обозначить индексами 1 и 2 два энергетических состояния атома, то из распределения следует:
n 2 /n 1 = (ω 2 /ω 1) e -(E 2 -E 1)/kT (3) (ф-ла Больцмана).
Разность энергий E 2 -E 1 для двух нижних уровней энергии атома водорода >10 эВ, а значение kT, характеризующее энергию теплового движения частиц для атмосфер звёзд типа Солнца, составляет всего лишь 0,3-1 эВ. Поэтому водород в таких звёздных атмосферах находится в невозбуждённом состоянии. Так, в атмосферах звёзд, имеющих эффективную температуру Тэ > 5700 К (Солнце и др. звёзды), отношение чисел атомов водорода во втором и основном состояниях равно 4,2 10 -9 .
Распределение Больцмана было получено в рамках классической статистики. В 1924-26 гг. была создана квантовая статистика. Она привела к открытию распределений Бозе - Эйнштейна (для частиц с целым спином) и Ферми - Дирака (для частиц с полуцелым спином). Оба эти распределения переходят в распределение, когда среднее число доступных для системы квантовых состояний значительно превышает число частиц в системе, т. о. когда на одну частицу приходится много квантовых состояний или, др. словами, когда степень заполнения квантовых состояний мала. Условие применимости распределении Больцмана можно записать в виде неравенства:
где N - число частиц, V - объём системы. Это неравенство выполняется при высокой темп-ре и малом числе частиц в ед. объёма (N/V). Из этого следует, что чем больше масса частиц, тем для более широкого интервала изменений Т и N/V справедливо распределение Больцмана..
билет 7.
Работа всех приложенных сил равна работе равнодействующей силы (см. рис. 1.19.1).
Между изменением скорости тела и работой, совершенной приложенными к телу силами, существует связь. Эту связь проще всего установить, рассматривая движение тела вдоль прямой линии под действием постоянной силы В этом случае векторы силыперемещенияскоростии ускорениянаправлены вдоль одной прямой, и тело совершает прямолинейное равноускоренное движение. Направив координатную ось вдоль прямой движения, можно рассматриватьF , s , υ и a как алгебраические величины (положительные или отрицательные в зависимости от направления соответствующего вектора). Тогда работу силы можно записать какA = Fs . При равноускоренном движении перемещение s выражается формулой
Это выражение показывает, что работа, совершенная силой (или равнодействующей всех сил), связана с изменением квадрата скорости (а не самой скорости).
Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела:
Это утверждение называют теоремой о кинетической энергии . Теорема о кинетической энергии справедлива и в общем случае, когда тело движется под действием изменяющейся силы, направление которой не совпадает с направлением перемещения.
Кинетическая энергия – это энергия движения. Кинетическая энергия тела массой m , движущегося со скоростью равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему эту скорость:
В физике наряду с кинетической энергией или энергией движения важную роль играет понятие потенциальной энергии или энергии взаимодействия тел .
Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения и определяется только начальным и конечным положениями тела . Такие силы называются консервативными .
Работа консервативных сил на замкнутой траектории равна нулю . Это утверждение поясняет рис. 1.19.2.
Свойством консервативности обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.
Если тело перемещается вблизи поверхности Земли, то на него действует постоянная по величине и направлению сила тяжести Работа этой силы зависит только от вертикального перемещения тела. На любом участке пути работу силы тяжести можно записать в проекциях вектора перемещенияна осьOY , направленную вертикально вверх:
Эта работа равна изменению некоторой физической величины mgh , взятому с противоположным знаком. Эту физическую величину называют потенциальной энергией тела в поле силы тяжести
Потенциальная энергия E р зависит от выбора нулевого уровня, т. е. от выбора начала координат оси OY . Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение ΔE р = E р2 – E р1 при перемещении тела из одного положения в другое. Это изменение не зависит от выбора нулевого уровня.
Если рассматривать движение тел в поле тяготения Земли на значительных расстояниях от нее, то при определении потенциальной энергии необходимо принимать во внимание зависимость силы тяготения от расстояния до центра Земли (закон всемирного тяготения ). Для сил всемирного тяготения потенциальную энергию удобно отсчитывать от бесконечно удаленной точки, т. е. полагать потенциальную энергию тела в бесконечно удаленной точке равной нулю. Формула, выражающая потенциальную энергию тела массой m на расстоянии r от центра Земли, имеет вид (см. §1.24 ):
|
|
где M – масса Земли, G – гравитационная постоянная.
Понятие потенциальной энергии можно ввести и для силы упругости. Эта сила также обладает свойством консервативности. Растягивая (или сжимая) пружину, мы можем делать это различными способами.
Можно просто удлинить пружину на величину x , или сначала удлинить ее на 2x , а затем уменьшить удлинение до значения x и т. д. Во всех этих случаях сила упругости совершает одну и ту же работу, которая зависит только от удлинения пружины x в конечном состоянии, если первоначально пружина была недеформирована. Эта работа равна работе внешней силы A , взятой с противоположным знаком (см. §1.18 ):
Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией.
Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x 1 , тогда при переходе в новое состояние с удлинением x 2 сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком:
Во многих случаях удобно использовать молярную теплоемкость C:
где M – молярная масса вещества.
Определенная таким образом теплоемкость не является однозначной характеристикой вещества. Согласно первому закону термодинамики изменение внутренней энергии тела зависит не только от полученного количества теплоты, но и от работы, совершенной телом. В зависимости от условий, при которых осуществлялся процесс теплопередачи, тело могло совершать различную работу. Поэтому одинаковое количество теплоты, переданное телу, могло вызвать различные изменения его внутренней энергии и, следовательно, температуры.
Такая неоднозначность определения теплоемкости характерна только для газообразного вещества. При нагревании жидких и твердых тел их объем практически не изменяется, и работа расширения оказывается равной нулю. Поэтому все количество теплоты, полученное телом, идет на изменение его внутренней энергии. В отличие от жидкостей и твердых тел, газ в процессе теплопередачи может сильно изменять свой объем и совершать работу. Поэтому теплоемкость газообразного вещества зависит от характера термодинамического процесса. Обычно рассматриваются два значения теплоемкости газов: C V – молярная теплоемкость в изохорном процессе (V = const) и C p – молярная теплоемкость в изобарном процессе (p = const).
В процессе при постоянном объеме газ работы не совершает: A = 0. Из первого закона термодинамики для 1 моля газа следует
где ΔV – изменение объема 1 моля идеального газа при изменении его температуры на ΔT. Отсюда следует:
где R – универсальная газовая постоянная. При p = const
Таким образом, соотношение, выражающее связь между молярными теплоемкостями C p и C V , имеет вид (формула Майера):
Молярная теплоемкость C p газа в процессе с постоянным давлением всегда больше молярной теплоемкости C V в процессе с постоянным объемом (рис. 3.10.1).
В частности, это отношение входит в формулу для адиабатического процесса (см. §3.9).
Между двумя изотермами с температурами T 1 и T 2 на диаграмме (p, V) возможны различные пути перехода. Поскольку для всех таких переходов изменение температуры ΔT = T 2 – T 1 одинаково, следовательно, одинаково изменение ΔUвнутренней энергии. Однако, совершенные при этом работы A и полученные в результате теплообмена количества теплоты Q окажутся различными для разных путей перехода. Отсюда следует, что у газа имеется бесчисленное количество теплоемкостей. C p и C V – это лишь частные (и очень важные для теории газов) значения теплоемкостей.
Билет 8.
1 Конечно, положение одной, даже «особой», точки далеко не полностью описывает движение всей рассматриваемой системы тел, но все-таки лучше знать положение хотя бы одной точки, чем не знать ничего. Тем не менее рассмотрим применение законов Ньютона к описанию вращения твердого тела вокруг фиксированной оси 1 . Начнем с простейшего случая: пусть материальная точка массы m прикреплена с помощью невесомого жесткого стержня длиной r к неподвижной оси ОО / (рис. 106).
Материальная точка может двигаться вокруг оси, оставаясь от нее на постоянном расстоянии, следовательно, ее траектория будет являться окружностью с центром на оси вращения. Безусловно, движение точки подчиняется уравнению второго закона Ньютона
Однако непосредственное применение этого уравнения не оправдано: во-первых, точка обладает одной степенью свободы, поэтому в качестве единственной координаты удобно использовать угол поворота, а не две декартовые координаты; во-вторых, на рассматриваемую систему действуют силы реакции в оси вращения, а непосредственно на материальную точку − сила натяжения стержня. Нахождение этих сил представляет собой отдельную проблему, решение которой излишне для описания вращения. Поэтому имеет смысл получить на основании законов Ньютона специальное уравнение, непосредственно описывающее вращательное движение. Пусть в некоторый момент времени на материальную точку действует некоторая сила F , лежащая в плоскости, перпендикулярной оси вращения (рис. 107).
При кинематическом описании криволинейного движения вектор полного ускорения а удобно разложить на две составляющие − нормальную а n , направленную к оси вращения, и тангенциальную а τ , направленную параллельно вектору скорости. Значение нормального ускорения для определения закона движения нам не нужно. Конечно, это ускорение также обусловлено действующими силами, одна из которых − неизвестная сила натяжения стержня. Запишем уравнение второго закона в проекции на тангенциальное направление:
Заметим, что сила реакции стержня не входит в это уравнение, так как она направлена вдоль стержня и перпендикулярна выбранной проекции. Изменение угла поворота φ непосредственно определяется угловой скоростью
ω = Δφ/Δt ,
изменение которой, в свою очередь, описывается угловым ускорением
ε = Δω/Δt .
Угловое ускорение связано с тангенциальной составляющей ускорения соотношением
а τ = rε .
Если подставим это выражение в уравнение (1), то получим уравнение, пригодное для определения углового ускорения. Удобно ввести новую физическую величину, определяющую взаимодействие тел при их повороте. Для этого умножим обе части уравнения (1) на r :
mr 2 ε = F τ r . (2)
Рассмотрим выражение в его правой части F τ r , имеющее смысл произведения тангенциальной составляющей силы на расстояние от оси вращения до точки приложения силы. Это же произведение можно представить в несколько иной форме (рис. 108):
M = F τ r = Frcosα = Fd ,
здесь d − расстояние от оси вращения до линии действия силы, которое также называют плечом силы. Эта физическая величина − произведение модуля силы на расстояние от линии действия силы до оси вращения (плечо силы) М = Fd − называется моментом силы. Действие силы может приводить к вращению как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. В соответствии с выбранным положительным направлением вращения следует определять и знак момента силы. Заметьте, что момент силы определяется той составляющей силы, которая перпендикулярна радиус-вектору точки приложения. Составляющая вектора силы, направленная вдоль отрезка, соединяющего точку приложения и ось вращения, не приводит к раскручиванию тела. Эта составляющая при закрепленной оси компенсируется силой реакции в оси, поэтому не влияет на вращение тела. Запишем еще одно полезное выражения для момента силы. Пусть сила F приложена к точке А , декартовые координаты которой равны х , у (рис. 109).
Разложим силу F на две составляющие F х , F у , параллельные соответствующим осям координат. Момент силы F относительно оси, проходящей через начало координат, очевидно равен сумме моментов составляющих F х , F у , то есть
М = хF у − уF х .
Аналогично, тому, как нами было введено понятие вектора угловой скоро¬сти, можно определить также и понятие вектора момента силы. Модуль этого вектора соответствует данному выше определению, направлен же он перпендикулярно плоскости, содержащей вектор силы и отрезок, соединяющий точку приложения силы с осью вращения (рис. 110).
Вектор момента силы также может быть определен как векторное произведение радиус-вектора точки приложения силы на вектор силы
Заметим, что при смещении точки приложения силы вдоль линии ее действия момент силы не изменяется. Обозначим произведение массы материальной точки на квадрат расстояния до оси вращения
mr 2 = I
(эта величина называется моментом инерции материальной точки относительно оси). С использованием этих обозначений уравнение (2) приобретает вид, формально совпадающий с уравнением второго закона Ньютона для поступательного движения:
Iε = M . (3)
Это уравнение называется основным уравнением динамики вращательного движения. Итак, момент силы во вращательном движении играет такую же роль, как и сила в поступательном движении, − именно он определяет изменение угловой скорости. Оказывается (и это подтверждает наш повседневный опыт), влияние силы на скорость вращения определяет не только величина силы, но и точка его приложения. Момент инерции определяет инерционные свойства тела по отношению к вращению (говоря простым языком − показывает, легко ли раскрутить тело): чем дальше от оси вращения находится материальная точка, тем труднее привести ее во вращение. Уравнение (3) допускает обобщение на случай вращения произвольного тела. При вращении тела вокруг фиксированной оси угловые ускорения всех точек тела одинаковы. Поэтому аналогично тому, как мы проделали при выводе уравнения Ньютона для поступательного движения тела, можно записать уравнения (3) для всех точек вращающегося тела и затем их просуммировать. В результате мы получим уравнение, внешне совпадающее с (3), в котором I − момент инерции всего тела, равный сумме моментов составляющих его материальных точек, M − сумма моментов внешних сил, действующих на тело. Покажем, каким образом вычисляется момент инерции тела. Важно подчеркнуть, что момент инерции тела зависит не только от массы, формы и размеров тела, но и от положения и ориентации оси вращения. Формально процедура расчета сводится к разбиению тела на малые части, которые можно считать материальными точками (рис. 111),
и суммированию моментов инерции этих материальных точек, которые равны произведению массы на квадрат расстояния до оси вращения:
Для тел простой формы такие суммы давно подсчитаны, поэтому часто достаточно вспомнить (или найти в справочнике) соответствующую формулу для нужного момента инерции. В качестве примера: момент инерции кругового однородного цилиндра, массы m и радиуса R , для оси вращения, совпадающей с осью цилиндра равен:
I = (1/2)mR 2 (рис. 112).
В данном случае мы ограничиваемся рассмотрением вращения вокруг фиксированной оси, потому что описание произвольного вращательного движения тела представляет собой сложную математическую проблему, далеко выходящую за рамки курса математики средней школы. Знания же других физических законов, кроме рассматриваемых нами, это описание не требует.
2 Вну́тренняя эне́ргия тела (обозначается как E или U ) - полная энергия этого тела за вычетом кинетической энергии тела как целого и потенциальной энергии тела во внешнем поле сил. Следовательно, внутренняя энергия складывается из кинетической энергии хаотического движения молекул, потенциальной энергии взаимодействия между ними и внутримолекулярной энергии.
Внутренняя энергия тела - энергия движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.
Внутренняя энергия тела - это суммарная кинетическая энергия движения молекул тела и потенциальная энергия их взаимодействия.
Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности значений в этих состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.
Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии:
Для квазистатических процессов выполняется следующее соотношение:
1. Общие сведения Количество теплоты, которое необходимо для нагревания на 1° единицы количества газа, называется теплоемкостью и обозначается буквой с. В технических расчетах теплоемкость измеряют в килоджоулях. При использовании старой системы единиц теплоемкость выражают в килокалориях (ГОСТ 8550-61) *.В зависимости от того, в каких единицах измеряют количество газа различают: мольную теплоемкость \хс в кдж/(кмолъ х X град); массовую теплоемкость с в кдж/(кг-град); объемную теплоемкость с в кдж/(м 3 град). При определении объемной теплоемкости необходимо указывать к каким значениям температуры и давления она относится. Принято определять объемную теплоемкость при нормальных физических условиях.Теплоемкость газов, подчиняющихся законам идеального газа, зависит только от температуры.Различают среднюю и истинную теплоемкость газов. Истинная теплоемкость представляет собой отношение бесконечно малого количества подведенной теплоты Дд при увеличении температуры на бесконечно малую величину At: Средняя теплоемкость определяет среднее количество подведенной теплоты при нагревании единицы количества газа на 1° в интервале температур от t x до t%: где q - количество теплоты, подведенной к единице массы газа при его нагревании от температуры t t до температуры t%. В зависимости от характера протекания процесса, при котором происходит подвод или отвод теплоты, величина теплоемкости газа будет различной.Если газ подогревается в сосуде постоянного объема (V =» = const), то теплота расходуется только на повышение его температуры.Если газ находится в цилиндре с подвижным поршнем, то при подводе теплоты давление газа остается постоянным (р = = const). При этом, подогреваясь, газ расширяется и производит работу против внешних сил при одновременном увеличении его температуры. Для того чтобы разность между конечной и начальной температурами во время нагрева газа в процессе р = const была бы такой же, как и в случае нагрева при V = = const, количество затрачиваемой теплоты должно быть больше на величину, равную совершенной газом работы в процессе р = = const. Из этого следует, что теплоемкость газа при постоянном давлении с р будет больше теплоемкости при постоянном объеме.Второй член в уравнениях характеризует количество теплоты, затрадиваемой на работу газа в процессе р = = const при изменении температуры на 1°.При проведении приближенных расчетов можно принимать, что теплоемкость рабодего тела постоянна и не зависит от температуры. В этом слудае знадения мольных теплоемкостей при постоянном объеме можно принять для одно-, двух- и многоатомных газов соответственно равными 12,6; 20,9 и 29,3 кдж/(кмоль-град) или 3; 5 и 7 ккал/(кмоль-град).
3.2. Импульс
3.2.2. Изменение импульса тела
Для применения законов изменения и сохранения импульса необходимо уметь рассчитывать изменение импульса.
Изменение импульса Δ P → тела определяется формулой
Δ P → = P → 2 − P → 1 ,
где P → 1 = m v → 1 - начальный импульс тела; P → 2 = m v → 2 - его конечный импульс; m - масса тела; v → 1 - начальная скорость тела; v → 2 - его конечная скорость.
Для вычисления изменения импульса тела целесообразно применять следующий алгоритм :
1) выбрать систему координат и найти проекции начального P → 1 и конечного P → 2 импульсов тела на координатные оси:
P 1 x , P 2 x ;
P 1 y , P 2 y ;
∆P x = P 2 x − P 1 x ;
∆P y = P 2 y − P 1 y ;
3) вычислить модуль вектора изменения импульса Δ P → как
Δ P = Δ P x 2 + Δ P y 2 .
Пример 4. Тело падает под углом 30° к вертикали на горизонтальную плоскость. Определить модуль изменения импульса тела за время удара, если к моменту соприкосновения с плоскостью модуль импульса тела равен 15 кг · м/с. Удар тела о плоскость считать абсолютно упругим.
Решение. Тело, падающее на горизонтальную поверхность под некоторым углом α к вертикали и соударяющееся с данной поверхностью абсолютно упруго,
- во-первых, сохраняет неизменным модуль своей скорости, а значит, и величину импульса:
P 1 = P 2 = P ;
- во-вторых, отражается от поверхности под тем же углом, под каким падает на нее:
α 1 = α 2 = α,
где P 1 = mv 1 - модуль импульса тела до удара; P 2 = mv 2 - модуль импульса тела после удара; m - масса тела; v 1 - величина скорости тела до удара; v 2 - величина скорости тела после удара; α 1 - угол падения; α 2 - угол отражения.
Указанные импульсы тела, углы и система координат показаны на рисунке.
Для расчета модуля изменения импульса тела воспользуемся алгоритмом :
1) запишем проекции импульсов до удара и после удара тела о поверхность на координатные оси:
P 1 x = mv sin α, P 2 x = mv sin α;
P 1 y = −mv cos α, P 2 y = mv cos α;
2) найдем проекции изменения импульса на координатные оси по формулам
Δ P x = P 2 x − P 1 x = m v sin α − m v sin α = 0 ;
Δ P y = P 2 y − P 1 y = m v cos α − (− m v cos α) = 2 m v cos α ;
Δ P = (Δ P x) 2 + (Δ P y) 2 = (Δ P y) 2 = | Δ P y | = 2 m v cos α .
Величина P = mv задана в условии задачи; следовательно, вычисление модуля изменения импульса произведем по формуле
Δ P = 2 P cos 30 ° = 2 ⋅ 15 ⋅ 0,5 3 ≈ 26 кг ⋅ м/с.
Пример 5. Камень массой 50 г брошен под углом 45° к горизонту со скоростью 20 м/с. Найти модуль изменения импульса камня за время полета. Сопротивлением воздуха пренебречь.
Решение. Если сопротивление воздуха отсутствует, то тело движется по симметричной параболе; при этом
- во-первых, вектор скорости в точке падения тела составляет с горизонтом угол β, равный углу α (α - угол между вектором скорости тела в точке бросания и горизонтом):
- во-вторых, модули скоростей в точке бросания v 0 и в точке падения тела v также одинаковы:
v 0 = v ,
где v 0 - величина скорости тела в точке бросания; v - величина скорости тела в точке падения; α - угол, который составляет вектор скорости с горизонтом в точке бросания тела; β - угол, который составляет с горизонтом вектор скорости в точке падения тела.
Векторы скорости тела (векторы импульса) и углы показаны на рисунке.
Для расчета модуля изменения импульса тела во время полета воспользуемся алгоритмом :
1) запишем проекции импульсов для точки бросания и для точки падения на координатные оси:
P 1 x = mv 0 cos α, P 2 x = mv 0 cos α;
P 1 y = mv 0 sin α, P 2 y = −mv 0 sin α;
2) найдем проекции изменения импульса на координатные оси по формулам
Δ P x = P 2 x − P 1 x = m v 0 cos α − m v 0 cos α = 0 ;
Δ P y = P 2 y − P 1 y = − m v 0 sin α − m v 0 sin α = − 2 m v 0 sin α ;
3) вычислим модуль изменения импульса как
Δ P = (Δ P x) 2 + (Δ P y) 2 = (Δ P y) 2 = | Δ P y | = 2 m v 0 sin α ,
где m - масса тела; v 0 - модуль начальной скорости тела.
Следовательно, вычисление модуля изменения импульса произведем по формуле
Δ P = 2 m v 0 sin 45 ° = 2 ⋅ 50 ⋅ 10 − 3 ⋅ 20 ⋅ 0,5 2 ≈ 1,4 кг ⋅ м/с.
1. Как вам известно, результат действия силы зависит от ее модуля, точки приложения и направления. Действительно, чем больше сила, действующая на тело, тем большее ускорение оно приобретает. От направления силы зависит и направление ускорения. Так, приложив небольшую силу к ручке, мы легко открываем дверь, если ту же силу приложить около петель, на которых висит дверь, то ее можно и не открыть.
Опыты и наблюдения свидетельствуют о том, что результат действия силы (взаимодействия) зависит не только от модуля силы, но и от времени ее действия. Проделаем опыт. К штативу на нити подвесим груз, к которому снизу привязана еще одна нить (рис. 59). Если за нижнюю нить резко дернуть, то она оборвется, а груз останется висеть на верхней нити. Если же теперь медленно потянуть за нижнюю нить, то оборвется верхняя нить.
Импульсом силы называют векторную физическую величину, равную произведению силы на время ее действия Ft .
Единица импульса силы в СИ - ньютон‑секунда (1 Н с ): [Ft ] = 1 Н с.
Вектор импульса силы совпадает по направлению с вектором силы.
2. Вы также знаете, что результат действия силы зависит от массы тела, на которое эта сила действует. Так, чем больше масса тела, тем меньшее ускорение оно приобретает при действии одной и той же силы.
Рассмотрим пример. Представим себе, что на рельсах стоит груженая платформа. С ней сталкивается движущийся с некоторой скоростью вагон. В результате столкновения платформа приобретет ускорение и переместится на некоторое расстояние. Если же движущийся с той же скоростью вагон столкнется с легкой вагонеткой, то она в результате взаимодействия переместится на существенно большее расстояние, чем груженая платформа.
Другой пример. Предположим, что к мишени подлетает пуля со скоростью 2 м/ с. Пуля, вероятнее всего, отскочит от мишени, оставив на ней лишь небольшую вмятину. Если же пуля будет лететь со скоростью 100 м/с, то она пробьет мишень.
Таким образом, результат взаимодействия тел зависит от их массы и скорости движения.
Импульсом тела называют векторную физическую величину, равную произведению массы тела и его скорости.
|
p = m v . |
Единица импульса тела в СИ - килограмм-метр в секунду (1 кг м/с): [p ] = [m ][v ] = 1 кг 1м/ с = 1 кг м/с.
Направление импульса тела совпадает с направлением его скорости.
Импульс - величина относительная, его значение зависит от выбора системы отсчета. Это и понятно, поскольку относительной величиной является скорость.
3. Выясним, как связаны импульс силы и импульс тела.
По второму закону Ньютона:
F = ma .
Подставив в эту формулу выражение для ускорения a = , получим:
F
= , или
Ft
= mv
– mv
0 .
В левой части равенства стоит импульс силы; в правой части равенства - разность конечного и начального импульсов тела,т. е. изменение импульса тела.
Таким образом,
импульс силы равен изменению импульса тела.
|
Ft = D(m v ). |
Это иная формулировка второго закона Ньютона. Именно так сформулировал его Ньютон.
4. Предположим, что сталкиваются два шарика движущиеся по столу. Любые взаимодействующие тела, в данном случае шарики, образуют систему . Между телами системы действуют силы: сила действия F 1 и сила противодействия F 2 . При этом сила действия F 1 по третьему закону Ньютона равна силе противодействия F 2 и направлена противоположно ей: F 1 = –F 2 .
Силы, с которыми тела системы взаимодействуют между собой, называют внутренними силами.
Помимо внутренних сил, на тела системы действуют внешние силы. Так, взаимодействующие шарики притягиваются к Земле, на них действует сила реакции опоры. Эти силы являются в данном случае внешними силами. Во время движения на шарики действуют сила сопротивления воздуха и сила трения. Они тоже являются внешними силами по отношению к системе, которая в данном случае состоит из двух шариков.
Внешними силами называют силы, которые действуют на тела системы со стороны других тел.
Будем рассматривать такую систему тел, на которую не действуют внешние силы.
Замкнутой системой называют систему тел, взаимодействующих между собой и не взаимодействующих с другими телами.
В замкнутой системе действуют только внутренние силы.
5. Рассмотрим взаимодействие двух тел, составляющих замкнутую систему. Масса первого тела m 1 , его скорость до взаимодействия v 01 , после взаимодействия v 1 . Масса второго тела m 2 , его скорость до взаимодействия v 02 , после взаимодействия v 2 .
Силы, с которыми взаимодействуют тела, по третьему закону:F 1 = –F 2 . Время действия сил одно и то же, поэтому
F 1 t = –F 2 t .
Для каждого тела запишем второй закон Ньютона:
F 1 t = m 1 v 1 – m 1 v 01 , F 2 t = m 2 v 2 – m 2 v 02 .
Поскольку левые части равенств равны, то равны и их правые части, т. е.
m 1 v 1 – m 1 v 01 = –(m 2 v 2 – m 2 v 02).
Преобразовав это равенство, получим:
|
m 1 v 01 + m 1 v 02 = m 2 v 1 + m 2 v 2 . |
В левой части равенства стоит сумма импульсов тел до взаимодействия, в правой - сумма импульсов тел после взаимодействия. Как видно из этого равенства, импульс каждого тела при взаимодействии изменился, а сумма импульсов осталась неизменной.
Геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы.
В этом состоит закон сохранения импульса .
6. Замкнутая система тел - это модель реальной системы. В природе нет таких систем, на которые не действовали бы внешние силы. Однако в ряде случаев системы взаимодействующих тел можно рассматривать как замкнутые. Это возможно в следующих случаях: внутренние силы много больше внешних сил, время взаимодействия мало, внешние силы компенсируют друг друга. Кроме того, может быть равна нулю проекция внешних сил на какое‑либо направление и тогда закон сохранения импульса выполняется для проекций импульсов взаимодействующих тел на это направление.
7. Пример решения задачи
Две железнодорожные платформы движутся навстречу друг другу со скоростями 0,3 и 0,2 м/с. Массы платформ соответственно равны 16 и 48 т. С какой скоростью и в каком направлении будут двигаться платформы после автосцепки?
|
Дано : |
СИ |
Решение |
|
v 01 = 0,3 м/с v 02 = 0,2 м/с m 1 = 16 т m 2 = 48 т v 1 = v 2 = v |
v 02 = v 02 = 1,6104кг 4,8104кг |
Изобразим на рисунке направление движения платформ до и после взаимодействия (рис. 60). Силы тяжести, действующие на платформы, и силы реакции опоры коммпенсируют друг друга. Систему из двух платформ можно считать замкнутой |
|
vx ? |
и применить к ней закон сохранения импульса.
m 1 v 01 + m 2 v 02 = (m 1 + m 2)v .
В проекциях на ось X можно записать:
m 1 v 01x + m 2 v 02x = (m 1 + m 2)v x .
Так как v 01x = v 01 ; v 02x = –v 02 ; v x = –v , то m 1 v 01 – m 2 v 02 = –(m 1 + m 2)v.
Откуда v = – .
v = – = 0,75 м/с.
После сцепки платформы будут двигаться в ту сторону, в которую до взаимодействия двигалась платформа с большей массой.
Ответ: v = 0,75 м/с; направлена в сторону движения тележки с большей массой.
Вопросы для самопроверки
1. Что называют импульсом тела?
2. Что называют импульсом силы?
3. Как связаны импульс силы и изменение импульса тела?
4. Какую систему тел называют замкнутой?
5. Сформулируйте закон сохранения импульса.
6. Каковы границы применимости закона сохранения импульса?
Задание 17
1. Чему равен импульс тела массой 5 кг, движущегося со скоростью 20 м/с?
2. Определите изменение импульса тела массой 3 кг за 5 с под действием силы 20 Н.
3. Определите импульс автомобиля массой 1,5 т, движущегося со скоростью 20 м/с в системе отсчета, связанной: а) с неподвижным относительно Земли автомобилем; б) с автомобилем, движущимся в ту же сторону с такой же скоростью; в) с автомобилем, движущимся с такой же скоростью, но в противоположную сторону.
4. Мальчик массой 50 кг спрыгнул с неподвижной лодки массой 100 кг, расположенной в воде около берега. С какой скоростью отъехала лодка от берега, если скорость мальчика направлена горизонтально и равна 1 м/с?
5. Снаряд массой 5 кг, летевший горизонтально, разрывался на два осколка. Какова скорость снаряда, если осколок массой 2 кг при разрыве приобрел скорость 50 м/с, а второй массой 3 кг - 40 м/с? Скорости осколков направлены горизонтально.
Если на тело массой m за определенный промежуток времени Δ t действует сила F → , тогда следует изменение скорости тела ∆ v → = v 2 → - v 1 → . Получаем, что за время Δ t тело продолжает движение с ускорением:
a → = ∆ v → ∆ t = v 2 → - v 1 → ∆ t .
Основываясь на основном законе динамики, то есть втором законе Ньютона, имеем:
F → = m a → = m v 2 → - v 1 → ∆ t или F → ∆ t = m v 2 → - m v 1 → = m ∆ v → = ∆ m v → .
Определение 1Импульс тела , или количество движения – это физическая величина, равная произведению массы тела на скорость его движения.
Импульс тела считается векторной величиной, которая измеряется в килограмм-метр в секунду (к г м / с) .
Определение 2
Импульс силы – это физическая величина, равняющаяся произведению силы на время ее действия.
Импульс относят к векторным величинам. Существует еще одна формулировка определения.
Определение 3
Изменение импульса тела равняется импульсу силы.
При обозначении импульса p → второй закон Ньютона записывается как:
F → ∆ t = ∆ p → .
Данный вид позволяет формулировать второй закон Ньютона. Сила F → является равнодействующей всех сил, действующих на тело. Равенство записывается как проекции на координатные оси вида:
F x Δ t = Δ p x ; F y Δ t = Δ p y ; F z Δ t = Δ p z .
Рисунок 1 . 16 . 1 . Модель импульса тела.
Изменение проекции импульса тела на любую из трех взаимно перпендикулярных осей равно проекции импульса силы на эту же ось.
Определение 4
Одномерное движение – это движение тела по одной из координатный осей.
Пример 1
На примере рассмотрим свободное падение тела с начальной скоростью v 0 под действием силы тяжести за промежуток времени t . При направлении оси O Y вертикально вниз импульс силы тяжести F т = mg , действующий за время t , равняется m g t . Такой импульс равняется изменению импульса тела:
F т t = m g t = Δ p = m (v – v 0) , откуда v = v 0 + g t .
Запись совпадает с кинематической формулой определения скорости равноускоренного движения. По модулю сила не изменяется из всего интервала t . Когда она изменяема по величине, тогда формула импульса требует подстановки среднего значения силы F с р из временного промежутка t . Рисунок 1 . 16 . 2 показывает, каким образом определяется импульс силы, которая зависит от времени.
Рисунок 1 . 16 . 2 . Вычисление импульса силы по графику зависимости F (t)
Необходимо выбрать на временной оси интервал Δ t , видно, что сила F (t) практически неизменна. Импульс силы F (t) Δ t за промежуток времени Δ t будет равняться площади заштрихованной фигуры. При разделении временной оси на интервалы на Δ t i на промежутке от от 0 до t , сложить импульсы всех действующих сил из этих промежутков Δ t i , тогда суммарный импульс силы будет равняться площади образования при помощи ступенчатой и временной осей.
Применив предел (Δ t i → 0) , можно найти площадь, которая будет ограничиваться графиком F (t) и осью t . Использование определения импульса силы по графику применимо с любыми законами, где имеются изменяющиеся силы и время. Данное решение ведет к интегрированию функции F (t) из интервала [ 0 ; t ] .
Рисунок 1 . 16 . 2 показывает импульс силы, находящийся на интервале от t 1 = 0 с до t 2 = 10 .
Из формулы получим, что F с р (t 2 - t 1) = 1 2 F m a x (t 2 - t 1) = 100 Н · с = 100 к г · м / с.
То есть, из примера видно F с р = 1 2 F m a x = 10 Н.
Имеются случаи, когда определение средней силы F с р возможно при известных времени и данных о сообщенном импульсе. При сильной ударе по мячу с массой 0 , 415 к г можно сообщить скорость, равную v = 30 м / с. Приблизительным временем удара является значение 8 · 10 – 3 с.
Тогда формула импульса приобретает вид:
p = m v = 12 , 5 к г · м / с.
Чтобы определить среднюю силу F с р во время удара, необходимо F с р = p ∆ t = 1 , 56 · 10 3 Н.
Получили очень большое значение, которое равняется телу массой 160 к г.
Когда движение происходит по криволинейной траектории, то начальное значение p 1 → и конечное
p 2 → могут быть различны по модулю и по направлению. Для определения импульса ∆ p → применяют диаграмму импульсов, где имеются векторы p 1 → и p 2 → , а ∆ p → = p 2 → - p 1 → построен по правилу параллелограмма.
Пример 2
Для примера приводится рисунок 1 . 16 . 2 , где нарисована схема импульсов мяча, отскакивающего от стены. При подаче мяч с массой m со скоростью v 1 → налетает на поверхность под углом α к нормали и отскакивает со скоростью v 2 → с углом β . При ударе в стену мяч подвергался действию силы F → , направленной также, как и вектор ∆ p → .
Рисунок 1 . 16 . 3 . Отскакивание мяча от шероховатой стенки и диаграмма импульсов.
Если происходит нормальное падение мяча с массой m на упругую поверхность со скоростью v 1 → = v → , тогда при отскоке она изменится на v 2 → = - v → . Значит, за определенный промежуток времени импульс изменится и будет равен ∆ p → = - 2 m v → . Используя проекции на О Х, результат запишется как Δ p x = – 2 m v x . Из рисунка 1 . 16 . 3 видно, что ось О Х направлена от стенки, тогда следует v x < 0 и Δ p x > 0 . Из формулы получим, что модуль Δ p связан с модулем скорости, который принимает вид Δ p = 2 m v .
Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
