Фізика — 11 клас
Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу. Прояв закону збереження імпульсу в природі і його використання в техніку.
Прості спостереження й досвіди доводять, що спокій і рух відносні, швидкість тіла залежить від вибору системи відліку; по другому законі Ньютона незалежно від того, чи перебувало тіло в спокої або рухалося, зміна швидкості його руху може відбуватися тільки під дією сили, тобто в результаті взаємодії з іншими тілами. Однак існують величини, які можуть зберігатися при взаємодії тел. Такими величинами є енергія й імпульс.
Імпульсом тіла називають векторну фізичну величину, що є кількісною характеристикою поступального руху тел. Імпульс позначається р. Імпульс тіла дорівнює добутку маси тіла на його швидкість: р = mv. Напрямок вектора імпульсу р збігається з напрямком вектора швидкості тіла 0. Одиниця виміру імпульсу — кг м/с.
Для імпульсу системи тіл виконується закон збереження, що справедливий тільки для замкнутих фізичних систем. У загальному випадку замкнутої називають систему, що не обмінюється енергією й масою з тілами й полями, що не входять у неї. У механіку замкнутої називають систему, на яку не діють зовнішні сили або дія цих сил скомпенсовано. У цьому випадку p1 = р2, де pl — початковий імпульс системи, а р2 — кінцевий. У випадку двох тіл, що входять у систему, це вираження має вигляд m1v1 + m2v2 = m1″v1″ + m2″v2″ , де ml і m2 — маси тіл, а v1 і v2 — швидкості до взаємодії, v1″ і v2″ — швидкості після взаємодії (мал. 5).
Ця формула і є математичним вираженням закону збереження імпульсу: імпульс замкнутої фізичної системи зберігається при будь-яких взаємодіях, що відбуваються усередині цієї системи. Іншими словами: у замкнутій фізичній системі геометрична сума імпульсів тіл до взаємодії дорівнює геометричній сумі імпульсів цих тіл після взаємодії. У випадку незамкнутої системи імпульс тіл системи не зберігається. Однак якщо в системі існує напрямок, по якому зовнішні сили не діють або їхня дія скомпенсована, то зберігається проекція імпульсу на цей напрямок. Крім того, якщо час взаємодії мало (постріл, вибух, удар), те за цей час навіть у випадку незамкнутої системи зовнішні сили незначно змінюють імпульси взаємодіючих тел. Тому для практичних розрахунків у цьому випадку теж можна застосовувати закон збереження імпульсу.
Експериментальні дослідження взаємодій різних тіл — від планет і зірок до атомів і елементарних часток — показали, що в будь-якій системі взаємодіючих тіл при відсутності дії з боку інших тіл, що не входять у систему, або рівності нулю суми діючих сил геометрична сума імпульсів тіл дійсно залишається незмінної.
У механіку закон збереження імпульсу й закони Ньютона зв’язані між собою. Якщо на тіло масою т протягом часу t діє сила й швидкість його руху змінюється від v0 до v, то прискорення руху а тіла дорівнює Ha підставі другого закону Ньютона для сили F можна записати , звідси треба
Ft — векторна фізична величина, що характеризує дію на тіло сили за деякий проміжок часу й рівна добутку сили на час її дії, називається імпульсом сили. Одиниця імпульсу сили в СИ — Нс.
Закон збереження імпульсу лежить в основі реактивного руху. Реактивний рух — це такий рух тіла, що виникає після відділення від тіла його частини.
Нехай тіло масою т спочивало. Від тіла відділилася зі швидкістю vl якась його частина масою т1. Тоді, що залишилася частина, прийде в рух у протилежну сторону зі швидкістю D2, маса частини, що залишилася, т2. Дійсно, сума імпульсів обох частин тіла до відділення була дорівнює нулю й після поділу буде дорівнює нулю:
Більша заслуга в розвитку теорії реактивного руху належить К. е. Ціолковському.
Він розробив теорію польоту тіла змінної маси (ракети) в однорідному полі тяжіння й розрахував запаси палива, необхідні для подолання сили земного притягання; основи теорії рідинного реактивного двигуна, а також елементи його конструкції; теорію багатоступеневих ракет, причому запропонував два варіанти: паралельний (кілька реактивних двигунів працюють одночасно) і послідовний (реактивні двигуни працюють один за одним). К. е. Ціолковський строго науково довів можливість польоту в космос за допомогою ракет з рідинним реактивним двигуном, запропонував спеціальні траєкторії посадки космічних апаратів на Землю, висунув ідею створення міжпланетних орбітальних станцій і докладно розглянув умови життя й життєзабезпечення на них. Технічні ідеї Ціолковського знаходять застосування при створенні сучасної ракетно-космічної техніки. Рух за допомогою реактивного струменя за законом збереження імпульсу лежить в основі гідрореактивного двигуна. В основі руху багатьох морських молюсків (восьминогів, медуз, кальмарів, каракатиць) також лежить реактивний принцип