Nhiều vấn đề trong vật lý có thể được giải quyết thành công nếu biết các định luật bảo toàn một hoặc một đại lượng khác trong quá trình vật lý đang xét. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét câu hỏi động lượng của cơ thể là gì. Và chúng ta cũng sẽ nghiên cứu kỹ định luật bảo toàn động lượng.
Khái niệm chung
Nói đúng hơn, đó là về số lượng chuyển động. Các mẫu liên quan đến nó lần đầu tiên được Galileo nghiên cứu vào đầu thế kỷ 17. Dựa trên các bài viết của mình, Newton đã xuất bản một bài báo khoa học trong thời kỳ này. Trong đó, ông đã vạch ra một cách rõ ràng và rành mạch các định luật cơ bản của cơ học cổ điển. Cả hai nhà khoa học đều hiểu số lượng chuyển động là một đặc tính, được biểu thị bằng đẳng thức sau:
p=mv.
Dựa vào đó, giá trị p xác định cả đặc tính quán tính của vật có khối lượng m và động năng của nó, phụ thuộc vào tốc độ v.
Động lượng được gọi là lượng chuyển động vì sự thay đổi của nó được kết nối với động lượng của lực thông qua định luật II Newton. Không khó để thể hiện nó. Bạn chỉ cần tìm đạo hàm của động lượng theo thời gian:
dp / dt=mdv / dt=ma=F.
Từ nơi chúng tôi nhận được:
dp=Fdt.
Vế phải của phương trình được gọi là động lượng của lực. Nó cho biết lượng thay đổi của động lượng theo thời gian dt.
Hệ thống khép kín và nội lực
Bây giờ chúng ta phải đối mặt với hai định nghĩa nữa: hệ kín là gì và nội lực là gì. Chúng ta hãy xem xét chi tiết hơn. Vì chúng ta đang nói về chuyển động cơ học, nên hệ kín được hiểu là một tập hợp các vật thể không bị tác động bởi các vật thể bên ngoài theo bất kỳ cách nào. Có nghĩa là, trong một cấu trúc như vậy, tổng năng lượng và tổng lượng vật chất được bảo toàn.
Khái niệm nội lực có quan hệ mật thiết với khái niệm hệ kín. Theo đó, chỉ những tương tác được coi là được thực hiện riêng giữa các đối tượng của kết cấu được xem xét. Tức là hoàn toàn loại trừ tác động của ngoại lực. Trong trường hợp chuyển động của các cơ thể của hệ thống, các dạng tương tác chính là va chạm cơ học giữa chúng.
Xác định định luật bảo toàn động lượng của cơ thể
Động lượng p trong một hệ kín, trong đó chỉ có nội lực tác động, không đổi trong một thời gian dài tùy ý. Nó không thể bị thay đổi bởi bất kỳ tương tác nội bộ nào giữa các cơ thể. Vì đại lượng (p) này là một vectơ, nên áp dụng câu lệnh này cho từng thành phần trong số ba thành phần của nó. Công thức của định luật bảo toàn động lượng của cơ thể có thể được viết như sau:
px=const;
py=const;
pz=const.
Định luật này rất thuận tiện để áp dụng khi giải các bài toán thực tế trong vật lý. Trong trường hợp này, trường hợp một chiều hoặc hai chiều của chuyển động của các vật thể trước khi chúng va chạm thường được xem xét. Chính sự tương tác cơ học này dẫn đến động lượng của mỗi vật thể thay đổi, nhưng tổng động lượng của chúng không đổi.
Như bạn đã biết, va chạm cơ học có thể hoàn toàn không đàn hồi và ngược lại, có thể co giãn. Trong tất cả các trường hợp này, động lượng được bảo toàn, mặc dù trong loại tương tác đầu tiên, động năng của hệ bị mất do chuyển hóa thành nhiệt.
Bài toán ví dụ
Sau khi làm quen với các định nghĩa về động lượng của vật và định luật bảo toàn động lượng, chúng ta sẽ giải bài toán sau.
Biết rằng hai quả cầu khối lượng m=0,4kg lăn cùng chiều với các vận tốc lần lượt là 1 m / s và 2 m / s, trong khi quả cầu thứ hai đi sau quả bóng thứ nhất. Sau khi quả bóng thứ hai vượt qua quả bóng thứ nhất, một vụ va chạm hoàn toàn không đàn hồi của các vật thể được coi là đã xảy ra, kết quả là chúng bắt đầu chuyển động như một toàn thể. Cần phải xác định tốc độ khớp của chuyển động tịnh tiến của chúng.
Giải quyết vấn đề này không khó nếu bạn áp dụng công thức sau:
mv1+ mv2=(m + m)u.
Ở đây, bên trái của phương trình biểu thị động lượng trước khi các quả bóng va chạm, bên phải - sau khi va chạm. Tốc độ u sẽ là:
u=(mv1+mv2) / (2m)=(v1+ v2) / 2;
u=1,5 m / s.
Như bạn thấy, kết quả cuối cùng không phụ thuộc vào khối lượng của các quả bóng, vì nó giống nhau.
Lưu ý rằng nếu theo điều kiện của bài toán, va chạm là đàn hồi tuyệt đối, thì để có câu trả lời, người ta không chỉ sử dụng định luật bảo toàn giá trị của p mà còn sử dụng định luật bảo toàn động năng của hệ quả cầu.
Vòng quay của cơ thể và mô men động lượng
Tất cả những gì đã nói ở trên đề cập đến chuyển động tịnh tiến của các vật thể. Động lực học của chuyển động quay về nhiều mặt tương tự như động lực học của nó với sự khác biệt là nó sử dụng các khái niệm về mômen, ví dụ, mômen quán tính, mômen lực và mômen xung lực. Sau này còn được gọi là mô men động lượng. Giá trị này được xác định theo công thức sau:
L=pr=mvr.
Đẳng thức này nói rằng để tìm mômen động lượng của một điểm vật chất, bạn nên nhân mômen động lượng p của nó với bán kính quay r.
Thông qua momen động lượng, định luật thứ hai của Newton về chuyển động quay được viết dưới dạng:
dL=Mdt.
Ở đây M là mômen của lực mà trong thời gian dt tác dụng lên hệ sẽ tạo cho hệ một gia tốc góc.
Định luật bảo toàn momen động lượng của vật
Công thức cuối cùng trong đoạn trước của bài viết nói rằng sự thay đổi giá trị của L chỉ có thể xảy ra khi một số ngoại lực tác động lên hệ, tạo ra mômen M khác 0.trong trường hợp không có như vậy, giá trị của L không thay đổi. Định luật bảo toàn mômen động lượng nói rằng không có tương tác bên trong và những thay đổi trong hệ có thể dẫn đến sự thay đổi trong môđun L.
Nếu chúng ta sử dụng các khái niệm về quán tính I và vận tốc góc ω, thì định luật bảo toàn đang xét sẽ được viết dưới dạng:
L=Iω=const.
Nó biểu hiện khi, trong khi thực hiện một con số với chuyển động quay trong trượt băng nghệ thuật, một vận động viên thay đổi hình dạng của cơ thể (ví dụ: áp tay vào cơ thể), đồng thời thay đổi mômen quán tính và ngược lại tỷ lệ với vận tốc góc.
Ngoài ra, định luật này được sử dụng để thực hiện các chuyển động quay quanh trục của chính vệ tinh nhân tạo của nó trong quá trình chuyển động theo quỹ đạo của chúng trong không gian vũ trụ. Trong bài báo này, chúng tôi đã xem xét khái niệm động lượng của một vật và định luật bảo toàn động lượng của một hệ vật.
