Что такое удар в физике

Что такое удар в физике

При ударе выполняется закон сохранения импульса и закон сохранения момента импульса, но обычно не выполняется закон сохранения механической энергии. Предполагается, что за время удара действием внешних сил можно пренебречь, тогда полный импульс тел при ударе сохраняется, в противном случае нужно учитывать импульс внешних сил. Часть энергии обычно уходит на нагрев тел.

Результат столкновения двух тел можно полностью рассчитать, если известно их движение до удара и механическая энергия после удара. Обычно рассматривают либо абсолютно упругий удар, либо вводят коэффициент сохранения энергии k, как отношение кинетической энергии после удара к кинетической энергии до удара при ударе одного тела о неподвижную стенку, сделанную из материала другого тела. Таким образом, k является характеристикой материала, из которого изготовлены тела, и (предположительно) не зависит от остальных параметров тел (формы, скорости и т. п.).

Если неизвестны потери энергии, происходит одновременное столкновение нескольких тел или столкновение точечных частиц, то определить однозначно движение тел после удара невозможно. В этом случае рассматривается зависимость возможных углов рассеяния и скоростей тел после удара от начальных условий. Например, при столкновении двух элементарных частиц рассеяние может произойти лишь в некотором диапазоне углов, определяющемся предельным углом рассеяния.

В общем случае задача о столкновении требует знания дополнительных параметров, кроме начальных скоростей.

Абсолютно упругий удар

Абсолютно упругий удар — модель соударения, при которой полная кинетическая энергия системы сохраняется. В классической механике при этом пренебрегают деформациями тел. Соответственно, считается, что энергия на деформации не теряется, а взаимодействие распространяется по всему телу мгновенно. Хорошей моделью абсолютно упругого удара является столкновение бильярдных шаров или упругих мячиков.

Абсолютно упругий удар может выполняться совершенно точно при столкновениях элементарных частиц низких энергий. Это следствие принципов квантовой механики, запрещающей произвольные изменения энергии системы. Если энергии сталкивающихся частиц недостаточно для возбуждения их внутренних степеней свободы, то механическая энергия системы не меняется. Изменение механической энергии может также быть запрещено какими-то законами сохранения (момента импульса, чётности и т. п.). Надо, однако, учитывать, что при столкновении может изменяться состав системы. Простейший пример — излучение кванта света. Также может происходить распад или слияние частиц, а в определённых условиях — рождение новых частиц. В замкнутой системе при этом выполняются все законы сохранения, однако при вычислениях нужно учитывать изменение системы.

Абсолютно неупругий удар

Абсолю́тно неупру́гий удар — удар, в результате которого компоненты скоростей тел, нормальные площадке касания, становятся равными. Если удар был центральным (скорости были перпендикулярны касательной плоскости), то тела соединяются и продолжают дальнейшее своё движение как единое тело.

Хорошая модель абсолютно неупругого удара — сталкивающиеся пластилиновые шарики.

Реальный удар

При реальном ударе макроскопических тел происходит деформация соударяющихся тел и распространение по ним упругих волн, передающих взаимодействие от сталкивающихся границ по всему телу. Пусть сталкиваются одинаковые тела. Если c — скорость звука в теле, L — характерный размер каждого тела, то время удара будет порядка t = 2L / c . Множитель 2 соответствует распространению волны в прямом и обратном направлении. Соответственно, систему сталкивающихся тел можно считать замкнутой, если импульс внешних сил за время t мал по сравнению с импульсами тел. Кроме того, само время t должно быть достаточно мало, в противном случае становится проблематично оценить потери энергии на деформации за время удара (часть энергии всегда расходуется на внутреннее трение), а само описание сталкивающихся тел становится неполным из-за существенного вклада внутренних степеней свободы. Необходимо, чтобы все деформации при ударе были существенно меньше, чем размеры тел.

Читайте также:  Заблокированные сайты в украине

Примером применения законов сохранения импульса и энергии при решении реальной физической задачи является удар абсолютно упругих и неупругих тел.

Удар (или соударение) — это столкновение двух или более тел, при котором взаимодействие длится очень короткое время. Исходя из данного определения, кроме явлений, которые можно отнести к ударам в прямом смысле этого слова

(столкновения атомов или биллиардных шаров), сюда можно отнести и такие, как удар человека о землю при прыжке с трамвая и т. д. При ударе в телах возникают столь значительные внутренние силы, что внешними силами, действующими на них, можно пренебречь. Это позволяет рассматривать соударяющиеся тела как замкнутую систему и применять к ней законы сохранения.

Тела во время удара претерпевают деформацию. Сущность удара заключается в том, что кинетическая энергия относительного движения соударяющихся тел на короткое время преобразуется в энергию упругой деформации. Во время удара имеет место перераспределение энергии между соударяющимися телами. Наблюдения показывают, что относительная скорость тел после удара не достигает своего прежнего значения. Это объясняется тем, что нет идеально упругих тел и идеально гладких поверхностей. Отношение нормальных составляющих относительной скорости тел после и до удара называется коэффициентом восстановления :

Если для сталкивающихся тел =0, то такие тела называются абсолютно неупругими, если =1—абсолютно упругими.

На практике для всех тел 0 m2.

Первый шар продолжает двигаться в том же направлении, как и до удара, но с меньшей скоростью (v’1 v’1) (рис.20);

2) При m1=m2 выражения (15.6) и (15.7) будут иметь вид

т. е. шары равной массы «обмениваются» скоростями.

Абсолютно неупругий удар — столкновение двух тел, в результате которого тела объединяются, двигаясь дальше как единое целое.

Продемонстрировать абсолютно неупругий удар можно с помощью шаров из пластилина (глины), движущихся навстречу друг другу (рис. 22).

Если массы шаров m1 и m2, их скорости до удара v1 и v2, то, используя закон сохранения импульса, можно записать

Если шары движутся навстречу друг другу, то они вместе будут продолжать двигаться в ту сторону, в которую двигался шар, обладающий большим импульсом. В частном случае если массы шаров равны (m1=m2), то

Выясним, как изменяется кинетическая энергия шаров при центральном абсолютно неупругом ударе. Так как в процессе соударения шаров между ними дей-

ствуют силы, зависящие не от самих деформаций, а от их скоростей, то мы имеем дело с силами, подобными силам трения, поэтому закон сохранения механической энергии не должен соблюдаться. Вследствие деформации происходит «потеря» кинетической энергии, перешедшей в тепловую или другие формы энергии. Эту «потерю» можно определить по разности кинетической энергии тел до и после удара:

Читайте также:  Создать внутреннюю страницу вконтакте

Если ударяемое тело было первоначально неподвижно (v2=0), то

Когда m2>>m1 (масса неподвижного тела очень большая), то v >m2), тогда vv1 и практически вся энергия затрачивается на возможно большее перемещение гвоздя, а не на остаточную деформацию стены.

Абсолютно неупругий удар — пример того, как происходит «потеря» механической энергии под действием диссипативных сил.

• В чем различие между понятиями энергии и работы?

• Как найти работу переменной силы?

• Какую работу совершает равнодействующая всех сил, приложенных к телу, равномерно движущемуся по окружности?

• Что такое мощность? Вывести ее формулу.

• Дайте определения и выведите формулы для известных вам видов механической энергии. • Какова связь между силой и потенциальной энергией?

• Почему изменение потенциальной энергии обусловлено только работой консервативных сил?

• В чем заключается закон сохранения механической энергии? Для каких систем он выполняется?

• Необходимо ли условие замкнутости системы для выполнения закона сохранения механической энергии?

• В чем физическая сущность закона сохранения и превращения энергии? Почему он является фундаментальным законом природы?

• Каким свойством времени обусловливается справедливость закона сохранения механической энергии?

• Что такое потенциальная яма? потенциальный барьер?

• Какие заключения о характере движения тел можно сделать из анализа потенциальных кривых?

• Как охарактеризовать положения устойчивого и неустойчивого равновесия? В чем их различие?

• Чем отличается абсолютно упругий удар от абсолютно неупругого?

• Как определить скорости тел после центрального абсолютно упругого удара? Следствием каких законов являются эти выражения?

3.1. Определить: 1) работу поднятия груза по наклонной плоскости; 2) среднюю и 3) максимальную мощности подъемного устройства, если масса груза 10 кг, длина наклонной плоскости 2 м, угол ее наклона к горизонту 45°, коэффициент трения 0,1 и время подъема 2 с. [1) 170 Дж; 2) 85 Вт; 3) 173 Вт |

3.2. С башни высотой 35 м горизонтально брошен камень массой 0,3 кг. Пренебрегая сопротивлением воздуха, определить: 1) скорость, с которой брошен камень, если через 1 с после начала движения его кинетическая энергия 60 Дж; 2) потенциальную энергию камня через 1 с после начала движения. [1) 17,4 м/с; 2) 88,6 Дж ]

3.3. Пренебрегая трением, определить наименьшую высоту, с которой должна скатываться тележка с человеком по желобу, переходящему в петлю радиусом 10 м, чтобы она сделала полную петлю и не выпала из желоба. [25 м]

3.4. Пуля массой m= 10 г, летевшая горизонтально со скоростью v = 500 м/с, попадает в баллистический маятник длиной l= 1 м и массой М = 5 кг и застревает в нем. Определить угол отклонения маятника. [ 18°30′ ]

3.5. Зависимость потенциальной энергии частицы в центральном силовом поле от расстояния r до

центра поля задается выражением П(r) =A/r 2 -B/r, где А и В — положительные постоянные.

Определить значение r, соответствующее равновесному положению частицы. Является ли это положение положением устойчивого равновесия? [r = 2А/В]

3.6. При центральном абсолютно упругом ударе движущееся тело массой m1 ударяется в покоящееся тело массой m2, в результате чего скорость первого тела уменьшается в n= 1,5 раза. Определить: 1) отношение m1/m2; 2) кинетическую энергию T’2, с которой начнет двигаться второе тело, если первоначальная кинетическая энергия первого тела T1 = 1000 Дж. [ 1) 5; 2) 555 Дж ]

Читайте также:  Geforce gtx 1060 6gb рейтинг

3.7. Тело массой m1=4 кг движется со скоростью v1=3 м/с и ударяется о неподвижное тело такой же массы. Считая удар центральным и неупругим, определить количество теплоты, выделившееся при ударе. [9 Дж ]

* У. Гамильтон (1805—1865) — ирландский математик и физик.

Законы сохранения определяют результат всевозможных ударов — пресса в заготовку, снаряда — в танк, пули — в мишень и т.д. Удары молекул газа о поверхность создают давление, их удары друг о друга приводят к выравниванию плотности и температуры, а также к химическим реакциям, возбуждению, ионизации и т.д.

Ударом называют кратковременное взаимодействие тел (частиц), при котором силы взаимодействия много больше внешних.

Отсюда следует, что систему соударяющихся частиц можно считать замкнутой.

Если частицы сближаются по линии, соединяющей их центры инерции, то удар называется центральным. Результат удара зависит от его вида.

Удар, после которого тела разлетаются, сохраняя свою форму и внутреннее состояние, называется упругим.

В момент такого удара (например, бильярдных шаров) кинетическая энергия относительного движения тел полностью превращается в потенциальную энергию их упругой деформации, а она производит затем работу по восстановлению формы тел.

Пусть частица с массой тЛ движется со скоростью и10, а частица т2 — со скоростью v20 (рис. 2.12, а). Поскольку при упругом ударе потерь механической энергии нет, то выполняются оба закона сохранения — импульса и механической энергии:

где ц,, v2 — скорости тел после удара (рис. 2.12, б). Решив эту систему уравнений, получим

При от, = от2 получаем г>, = u>0, v, = v,, т.е. тела обмениваются скоростями, что наблюдается, например, при центральном ударе упругих шаров (такой удар изучают в лабораторном практикуме). Если же частица ударяет о стенку или болванка — о броню танка, то от,

откуда импульс, полученный стенкой:

Рассмотрим теперь случай «слипания» частиц (рис. 2.12, в).

Удар, при котором кинетическая энергия относительного движения тел преобразуется во внутреннюю энергию системы, называется неунругим.

Абсолютно неупругих, как и абсолютно упругих ударов, разумеется, не существует: в ударе одного вида могут присутствовать элементы другого.

На основании формулы (2.30) имеем

Проецируя это равенство на направление вектора v, и полагая, что вектор v сонаправлен с вектором vl0, получим

В зависимости от знака числителя v > 0 или v 80 Дж. Поражающее действие снайперской пули увеличено тем, что ее стальной сердечник имеет в головной части чуть заметный скос. Поэтому при попадании в мягкие ткани тела она разворачивается боком и оставляет в них большие повреждения. Пробивное действие пули определяют с помощью сосновых досок толщиной 2,5 см, расположенных с промежутками 2,5 см. Например, пуля снайперской винтовки пробивает до 36 досок с расстояния 100 м. Снаряды поражают цели ударом, газами разрыва и осколками, а кумулятивные снаряды — струей от взрыва разрывного заряда.

Ссылка на основную публикацию
Что означает охват в статистике вконтакте
Что такое охват подписчиков во Вконтакте Как посмотреть охват? Для сообщества Перейдите в сообщество, на панели управления нажмите кнопку «Статистика»,...
Что делать если взломали сим карту
Подавляющее большинство современных телефонов оборудовано лотком под сим-карту, вытащить который очень легко с помощью скрепки или иглы. Какие-то телефоны после...
Что делать если забыл название игры
В сообществе Лига Геймеров очень часто всплывают посты "Помогите найти игру". Там их не очень жалуют. Для этого и создано...
Что означает ошибка esp
Однажды ни с того ни с сего во время достаточно спокойной езды загорелась ошибка: "Сервис: ESP", затем следом появилось сообщение...
Adblock detector