Каким свойством пространства обуславливается справедливость закона сохранения импульса
В предыдущих разделах рассмотрены три фундаментальных закона природы: закон сохранения импульса, момента импульса и энергии. Следует
понимать, что эти законы выполняются только в инерциальных системах отсчета.
В самом деле, при выводе этих законов мы пользовались вторым и третьим законами Ньютона, а они применимы только в инерциальных
системах. Напомним также, что импульс и момент импульса сохраняются в том случае, если система замкнутая (сумма всех внешних сил и
всех моментов сил равна нулю). Для сохранения же энергии тела условия замкнутости недостаточно – тело должно быть еще и адиабатически
изолированным (т.е. не участвовать в теплообмене).
Во всей истории развития физики законы сохранения оказались чуть ли не единственными законами, сохранившими свое значение при
замене одних теорий другими. Эти законы тесно связаны с основными свойствами пространства и времени.
равнозначность всех моментов времени (симметрия по отношению к сдвигу начала отсчета времени). Равнозначность следует понимать в
том смысле, что замена момента времени t1 на момент времени t2, без изменения значений
координат и скорости частиц, не изменяет механические свойства системы. Это означает то, что после указанной замены, координаты
и скорости частиц имеют в любой момент времени t2 + t такие же значения, какие имели
до замены, в момент времени t1 + t.
одинаковость свойств пространства во всех точках (симметрия по отношению к сдвигу начала координат). Одинаковость следует понимать
в том смысле, что параллельный перенос замкнутой системы из одного места пространства в другое, без изменения взаимного расположения
и скоростей частиц, не изменяет механические свойства системы.
одинаковость свойств пространства по всем направлениям (симметрия по отношению к повороту осей координат). Одинаковость следует
понимать в том смысле, что поворот замкнутой системы, как целого, не отражается на её механических свойствах.
Между законами типа основного уравнения динамики и законами сохранения имеется принципиальная разница. Законы динамики дают нам
представление о детальном ходе процесса. Так, если задана сила, действующая на материальную точку и начальные условия, то можно
найти закон движения, траекторию, величину и направление скорости в любой момент времени и т. п. Законы же сохранения не дают
нам прямых указаний на то, как должен идти тот или иной процесс. Они говорят лишь о том, какие процессы запрещены и потому в
природе не происходят.
Таким образом, законы сохранения проявляются как принципы запрета: любое явление, при котором не выполняется хотя бы один из
законов сохранения, запрещено, и в природе такие явления никогда не наблюдаются. Всякое явление, при котором не нарушается ни
один из законов сохранения, в принципе может происходить.
Рассмотрим следующий пример. Может ли покоящееся тело за счет внутренней энергии начать двигаться? Этот процесс не противоречит
закону сохранения энергии. Нужно лишь, чтобы возникающая кинетическая энергия точно равнялась убыли внутренней энергии.
На самом деле такой процесс никогда не происходит, ибо он противоречит закону сохранения импульса. Раз тело покоилось, то его
импульс был равен нулю. А если оно станет двигаться, то его импульс сам собой увеличится, что невозможно. Поэтому внутренняя
энергия тела не может превратиться в кинетическую, если тело не распадётся на части.
Если же допустить возможность распада этого тела на части, то запрет, налагаемый законом сохранения импульса, снимается. При этом
возникшие осколки могут двигаться так, чтобы их центр масс оставался в покое, – а только этого и требует закон сохранения импульса.
Итак, для того чтобы внутренняя энергия покоящегося тела могла превратиться в кинетическую, это тело должно распасться на части.
Если же есть еще один какой-либо закон, запрещающий распад этого тела на части, то его внутренняя энергия и масса покоя будут
постоянными величинами.
Фундаментальность законов сохранения заключается в их универсальности. Они справедливы при изучении любых физических
процессов (механических, тепловых, электромагнитных и др.). Они одинаково применимы в релятивистском и нерелятивистском движении,
в микромире, где справедливы квантовые представления, и в макромире, с его классическими представлениями.
Источник
Рассмотрим изменение импульсов тел при их взаимодействии друг с другом.
Если два или несколько тел взаимодействуют только между собой (то есть не подвергаются воздействию внешних сил), то эти тела образуют замкнутую систему.
Импульс, равный векторной сумме импульсов тел, входящих в замкнутую систему, называется суммарным импульсом этой системы.
Таким образом, чтобы найти суммарный импульс замкнутой системы (n) тел, необходимо найти векторную сумму импульсов всех тел, входящих в данную систему:
pсум→=p1→+p2→+…+pn→.
Импульс каждого из тел, входящих в замкнутую систему, может меняться в результате их взаимодействия друг с другом.
Векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, не меняется с течением времени при любых движениях и взаимодействиях этих тел.
В этом заключается закон сохранения импульса, который называют также законом сохранения количества движения.
Закон сохранения импульса впервые был сформулирован Р. Декартом. В одном из своих писем он написал:
«Я принимаю, что во Вселенной, во всей созданной материи есть известное количество движения, которое никогда не увеличивается, не уменьшается, и, таким образом, если одно тело приводит в движение другое, то теряет столько своего движения, сколько его сообщает».
Рассмотрим систему, состоящую только из двух тел — шаров массами m1 и m2, которые движутся прямолинейно навстречу друг другу со скоростями v1 и v2. Шары обладают импульсами p1→=m1v1→ и p2→=m2v2→ соответственно.
Через некоторое время шары столкнутся. Во время столкновения, длящегося в течение очень короткого промежутка времени (t), возникнут силы взаимодействия F1→ и F2→, приложенные соответственно к первому и второму шару. В результате действия этих сил скорости шаров изменятся. Обозначим скорости шаров после соударения v1′ и v2′. И импульсы шаров станут p1→′=m1v1→′ и p2→′=m2v2→′ соответственно.
Тогда, согласно закону сохранения импульса, имеют место равенства:
или
m1v1→+m2v2→=m1v1→′+m2v2→′.
Данные равенства являются математической записью закона сохранения импульса.
Закон сохранения импульса выполняется и в том случае, если на тела системы действуют внешние силы, векторная сумма которых равна нулю.
Таким образом, более точно закон сохранения импульса формулируется так:
векторная сумма импульсов всех тел замкнутой системы — величина постоянная, если внешние силы, действующие на неё, отсутствуют или же их векторная сумма равна нулю.
Импульс системы тел может измениться только в результате действия на систему внешних сил. И тогда закон сохранения импульса действовать не будет.
Пример:
при стрельбе из пушки возникает отдача: снаряд летит вперёд, а само орудие откатывается назад. Почему?
Снаряд и пушка — замкнутая система, в которой действует закон сохранения импульса. В результате выстрела из пушки импульс самой пушки и импульс снаряда изменятся. Но сумма импульсов пушки и находящегося в ней снаряда до выстрела останется равной сумме импульсов откатывающейся пушки и летящего снаряда после выстрела.
Обрати внимание!
В природе замкнутых систем не существует. Но если время действия внешних сил очень мало, например, во время взрыва, выстрела и т. п., то в этом случае воздействием внешних сил на систему пренебрегают, а саму систему рассматривают как замкнутую.
Кроме того, если на систему действуют внешние силы, но сумма их проекций на одну из координатных осей равна нулю (то есть силы уравновешены в направлении этой оси), то в этом направлении закон сохранения импульса выполняется.
Великий учёный Исаак Ньютон изобрёл наглядную демонстрацию закона сохранения импульса — маятник, или её ещё называют «колыбель». Это устройство представляет собой конструкцию из пяти одинаковых металлических шаров, каждый из которых крепится с помощью двух тросов к каркасу, а тот в свою очередь — к прочному основанию П-образной формы.
Маятник Ньютона устроен так, что начальный шар передаёт импульс второму шарику, а затем замирает. Нашему глазу на первый взгляд не заметно, как следующий шарик принимает импульс от предыдущего, мы не можем проследить его скорость. Но, если взглянуть пристальнее, можно заметить, как шарик немножко «вздрагивает». Это объясняется тем, что он совершает движения с посланной ему скоростью, но поскольку расстояние очень маленькое, ему некуда разогнаться, то он может на своём коротком пути передать импульс третьему шарику и в итоге остановиться.
Такое же действие совершает и следующий шарик и т. д. Последнему шарику некуда передавать свой импульс, поэтому он свободно колеблется, поднимаясь на определённую высоту, а затем возвращается, и весь процесс передачи импульсов повторяется в обратном порядке.
Самый яркий пример применения закона сохранения импульса — реактивное движение.
Источники:
Пёрышкин А. В., Гутник Е. М. Физика, 9 кл.: учебник. — М.: Дрофа, 2014. — 319 с.
www.klassnoedelo.ru, сайт «Классное дело — новые технологии в образовании»
www.barvinok80.narod.ru, сайт дошкольного учреждения образования «Барвинок»
www.hottabich.com.ua, сайт «Hottabich»
www.thegreenhead.com, сайт «Green Head»
www.askskb.net, сайт «Интерактивная физика»
Источник
Закон сохранения импульса
Закон сохранения импульса можно наблюдать повсюду. Он достаточно точно выполняется в реальных условиях, если пренебречь сопротивлением воздуха, силами трения и т.д. Примеры проявления этого закона:
- стрелок ощущает отдачу при выстреле из ружья;
- рыбак переходит с кормы на нос лодки, а лодка при этом движется в противоположную сторону;
- шары сталкиваются на бильярдном столе.
Однако, прежде чем говорить о законе сохранении импульса, рассмотрим понятие замкнутой системы.
Замкнутая система – система тел, на которую со стороны других тел не действуют внешние силы.
Формулировка закона сохранения импульса (ЗСИ)
Векторная сумма импульсов всех тел, входящих в замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях этих тел между собой внутри системы.
Данный закон является следствием из второго и третьего законов Ньютона. Покажем это.
Возьмем замкнутую систему из двух взаимодействующих тел. Силы F1→ и F2→ – это силы взаимодействия между телами. Третий закон Ньютона гласит, что F2→=-F1→. Пусть тела взаимодействуют во течение времени t. Тогда импульсы сил одинаковы по модулю и противоположны по направлению, как и сами силы.
F2t→=-F1→t.
По второму закону Ньютона:
F1→t=m1v1’→-m1v1→; F2→t=m1v2’→-m1v2→
Здесь v1’→ и v2’→ – скорости тел в конце взаимодействия. Соответственно, скорости без штрихов обозначают эти величины в начальный момент взаимодействия.
Из записанного выше следует соотношение:
m1v1→+m2v2→=m1v1’→+m2v2’→
Это равенство – математическая форма записи закона сохранения импульса. Оно означает, что суммарный импульс системы в результате какого-то взаимодействия не изменился.
Проиллюстрируем закон сохранения импульса на примере соударения шаров разных масс. Один из шаров до удара покоился.
Как видим, после удара векторная сумма импульсов двух шаров равна первоначальному импульсу движущегося шара.
Важно! Закон сохранения выполняется и для проекций векторов на координатные оси.
Закон сохранения импульса позволяет решать задачи и находить скорости тел не зная значений действующих сил.
Рассмотрим снаряд, вылетающий из пушки.
В данном случае взаимодействующие тела – это снаряд и пушка. Сначала тела не движутся. При выстреле снаряд приобретает скорость v→ и летит вперед, а пушка откатывается назад со скоростью V→. Откатывание пушки называется отдачей от выстрела.
По закону сохранения импульса в проекции на ось OX можно записать:
mv-MV=0
V=mvM.
Реактивное движение
Реактивное движение также основано на принципе отдачи. Нагретые газы выбрасываются из сопла реактивного двигателя со скоростью u→. Пусть масса газов равна m, а масса ракеты после истечения газов – M. Рассматривая замкнутую систему “ракета-газы” и применяя к ней закон сохранения импульса, можно вычислить скорость ракеты V после истечения газов.
V=muM
Формула для пушки и снаряда не применима к ракете, так как дает лишь приблизительное представление о движении ракеты, На самом деле вся масса газов выходит из сопла не сразу, а постепенно.
Рассмотрим этот процесс подробнее. Пусть масса ракеты в момент времени t равна M, а сама ракета движется со скоростью v→. В течение малого промежутка времени ∆t из сопла ракеты выбрасывается порция газа с относительной скоростью u→. По истечении времени ∆t ракета будет двигаться со скоростью v+∆v, а масса ракеты станет равной M-∆M.
В момент t+∆t импульс ракеты равен:
M-∆M·v→+∆v→.
Импульс реактивных газов:
∆M·v→+u→.
По закону сохранения импульса:
Mv→=M-∆M·v→+∆v→+∆M·v→+u→.
Или
M∆v→=∆M·u→-∆M·∆v→.
Величиной ∆M·∆v→ можно пренебречь, так как ∆M намного меньше M.
Разделим последнее равенство на ∆t и перейдем к пределу ∆t→0.
M∆v→∆t=∆M·u→∆t (∆t→0)
Ma→=-μu→.
Здесь μ – расход топлива в единицу времени, а -μu→ – реактивная сила тяги. Направление этой силы совпадает с направлением движения ракеты.
Формула Ma→=-μu→ выражает второй закон Ньютона для тела переменной массы. В скалярном виде ее можно переписать так:
Ma=μu.
Конечная скорость ракеты определяется по формуле:
v=ulnM0M.
Это так называемая формула Циолковского, согласно которой конечная скорость ракеты может превышать скорость истечения газов из сопла двигателя. Правда, достижение такой скорости связано с определенными сложностями. Во-первых такими, как значительный расход топлива.
Для того, чтобы развить первую космическую скорость v=v1=7,9·103 мс при скорости истечения газов u=3·103 мс стартовая масса ракеты должна быть примерно в 14 раз больше конечной массы.
Современное ракетостроение развивается в направлении экономичных многоступенчатых ракет. Сброс отсеков с отработанным топливом позволяет значительно сократить массу ракеты и оптимизировать дальнейший расход топлива для ее разгона.
Источник
Принцип относительности
Важную роль в развитии естествознания сыграл принцип относительности, впервые сформулированный Г.Галилеем для механического движения: во всех инерциальных системах отсчета законы классической динамики имеют одинаковую форму.
Инерциальная система отсчета – это система, в которой выполняется первый закон Ньютона, такая система либо покоится, либо движется прямолинейно и равномерно относительно какой-то другой системы, неподвижной или движущейся прямолинейно и с постоянной скоростью (например, гелиоцентрическая система отсчета с началом координат в центре Солнца).
Этот принцип относительности означает, что уравнения динамики при переходе из одной инерциальной системы отсчета к другой не изменяются, то есть инвариантны относительно к преобразованию начала координат.
Впоследствии А. Пуанкаре распространил механический принцип относительности на все электромагнитные процессы, а А.Эйнштейн использовал его при создании специальной теории относительности (СТО) в 1905 г.
В обобщенном виде принцип относительности формулируется так: все инерциальные системы отсчета равноправны между собой (неотличимы друг от друга) в отношении протекания физических процессов, то есть физические процессы не зависят от равномерного и прямолинейного движения системы отсчета.
Специальная теория относительности включает два постулата:
1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не дают возможности обнаружить, покоится эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой.
2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источников света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.
Общая теория относительности (ОТО) или теория тяготения А. Эйнштейна (1915-1916 гг.) – это результат развития СТО: свойства пространства-времени зависят от поля тяготения.
Свойства пространства-времени и законы сохранения
Принцип инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени – смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов.
Инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований называется симметрией(например, кристаллы, раковины).
Из принципа инвариантности относительно сдвигов в пространстве и во времени следует симметрия пространства и времени, называемая однородностью.
Однородность пространства заключается в том, что при параллельном переносе в пространстве замкнутой системы тел как единого целого ее физические свойства и законы движения не изменяются, то есть не зависят от выбора положения начала координат инерциальной системы отсчета.
Для количественного описания движения тела используется понятия импульса (масса тела *скорость тела). Из свойства однородности пространства следует закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, то есть не изменяется с течением времени. Импульс сохраняется и для незамкнутой системы, если геометрическая сумма всех внешних сил равна нулю. Закон сохранения импульса носит универсальный характер и является фундаментальным законом природы.
Однородность времени означает инвариантность физических законов относительно выбора начала отсчета времени. Из этого следует закон сохранения механической энергии: в системе тел, между которыми действуют только консервативные силы, полная механическая энергия сохраняется, то есть не изменяется со временем.
Консервативная сила – это сила, работа которой при перемещении тела зависит только от начального и конечного положения тела в пространстве. Если работа, совершаемая силой, зависит от траектории перемещения тела из одной точки в другую, то такая сила называется диссипативной (например, сила трения).
В системе, в которой действуют консервативные и диссипативные силы, полная механическая энергия не сохраняется, но она переходит в другие виды энергии. Закон сохранения и превращения энергии: энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, она лишь превращается из одного вида в другой. Энергия – универсальная мера различных форм движения и взаимодействия.
Еще одно свойство симметрии пространства – его изотропность.Изотропность пространства означает инвариантность физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета, то есть относительно ее поворота в пространстве на любой угол. Вращательное движение механической системы описывается с помощью момента импульса (импульс*радиус вращения). Из изотропности пространства следует фундаментальный закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, то есть не изменяется с течением времени.
Связь между свойствами пространства-времени и законами сохранения установила немецкий математик Эмми Нутер. Фундаментальная теорема Нутер: из однородности пространства и времени следуют законы сохранения соответственно импульса и энергии, а из изотропности пространства – закон сохранения момента импульса.
Источник