Импулс и удари
🚀 През януари 1920 г. вестник „Ню Йорк Таймс“ подиграва в редакционна статия американския физик Робърт Годард, който твърди, че ракета може да полети до Луната. Според вестника ракетата нямало от какво да се „отблъсне“ в празното пространство – и всеки ученик го знаел. Почти 50 години по-късно, на 17 юли 1969 г., докато „Аполо 11“ лети към Луната, вестникът публикува кратка поправка: ракетата наистина може да работи във вакуум. Годард е бил прав, а вестникът е сбъркал в един от най-важните закони на физиката – закона за запазване на импулса.
1. Импулс на тяло
Кое е по-трудно да спреш – колело или камион, движещи се с еднаква скорост? А куршум или хвърлен камък? Отговорът зависи и от масата, и от скоростта. Мярка за „количеството движение“ е импулсът.
Импулс
Пример
Да сравним импулсите на камион с маса 10 t, който пълзи с 1 m/s, и на куршум с маса 10 g и скорост 800 m/s.
- Камион:
- Куршум:
- Импулсът на бавния камион е над 1000 пъти по-голям.
2. Импулс на силата
(виж Закони на Нютон) може да се запише и чрез импулса. Ако на тяло действа сила за време , то .
Импулс на силата
Оттук идва цялата техника за безопасност при удари. Когато тяло спира, е определено – не можем да го променим. Но можем да удължим времето – тогава силата намалява. Така работят въздушните възглавници, каските, матраците при скок на височина, свитите колене при приземяване и смачкваемите зони на колите.
Твърд удар. Пусни го върху възглавница: около 50 ms.
💡 Изменението на импулса Δp = mv е едно и също – тялото и в двата случая спира. Затова лицето под кривата F(t) е едно и също. Възглавницата, свитите колене и въздушната възглавница в колата удължават времето Δt и така намаляват силата. Забавянето е дадено в единици g = 9,81 m/s².
Пример
Топка с маса 0,4 kg удря стена с 10 m/s и отскача назад с 8 m/s. Контактът трае 0,01 s. Каква е средната сила?
- Посоката към стената е положителна:
- , насочена от стената
- При отскачане изменението на импулса е по-голямо, отколкото ако топката просто спре – скоростите се събират.
3. Закон за запазване на импулса
Система от тела е затворена, ако външните сили върху нея се уравновесяват (или са пренебрежимо малки за краткото време на удара). Вътрешните сили идват по двойки – по те са равни и противоположни, затова импулсите, които предават, се унищожават.
Закон за запазване на импулса
Пример
Ловна пушка с маса 4 kg изстрелва куршум от 10 g със скорост 800 m/s. Каква е скоростта на отката?
- Преди изстрела импулсът е 0, значи и след него:
- – минусът показва, че пушката се движи назад.
Пример
Кънкьорка с маса 60 kg стои на леда и хвърля напред топка с маса 3 kg със скорост 5 m/s. С каква скорост се плъзга назад?
- Центърът на масата на системата „кънкьорка + топка“ остава на място.
4. Удари
При всеки удар импулсът се запазва. обаче може да се превърне частично в топлина, звук и деформация (виж Работа, енергия, мощност). Според това ударите биват:
Видове удари
Еластичен централен удар
Еластичен удар: запазват се и импулсът, и кинетичната енергия.
💡 Положителната скорост е надясно. Коефициентът на възстановяване e показва каква част от скоростта на приближаване става скорост на раздалечаване. Жълтото триъгълниче е центърът на масата: ударът изобщо не променя движението му. Пробвай равни маси, e = 1 и спряла втора количка.
Пример
Кола с маса 1000 kg и скорост 20 m/s удря отзад спрял джип с маса 1500 kg и двете продължават заедно. Каква част от кинетичната енергия се губи?
- ,
- Губят се – от енергията отива за деформация и топлина.
При удари в равнина импулсът се запазва като вектор – поотделно по двете оси. Красиво следствие има в билярда: ако топка удари еластично (и нецентрално) неподвижна топка със същата маса, двете се разлитат под прав ъгъл. Причината е, че от и следва за триъгълника на скоростите (виж Вектори).
5. Реактивно движение
Ракетата не се отблъсква от въздуха. Тя изхвърля назад газове с голяма скорост спрямо себе си, а по закона за запазване на импулса получава импулс напред. Ако за кратко време изхвърли маса , скоростта ѝ нараства с . Всяка следваща порция гориво ускорява вече по-лека ракета. Като сумираме тези малки прирастъци (виж Интеграли), получаваме (виж Логаритми).
Формула на Циолковски (1903)
Не стига за орбита: трябва m₀/m₁ ≥ 13,9 при тази скорост на газовете.
💡 Червената стълбичка: ракетата изхвърля горивото на няколко порции. Всяка порция носи импулс назад, а ракетата получава същия импулс напред. Колкото повече и по-малки са порциите, толкова по-близо сме до синята крива на Циолковски v = u·ln(m₀/m). Кривата расте все по-бавно – затова ракетите са на степени: празните резервоари се изхвърлят и вече не се ускоряват.
За кръгова орбита около Земята е нужна скорост около 7,9 km/s (виж Орбити и скорости), а със загубите от гравитацията и въздуха – около 9–10 km/s. Логаритъмът расте бавно: удвояването на горивото добавя само . Затова ракетите са многостепенни – празните резервоари се изхвърлят.
6. Тренажор
Пресметни исканата величина. Десетичните отговори въвеждай като 0,25, а дробите – като 8/3.
Ракета:
7. Удари около нас
🎱 Билярд
Бялата топка се движи с 2 m/s и удря челно друга, неподвижна топка със същата маса. Ударът е почти еластичен. С какви скорости се движат двете топки след удара?
🚣 Скок от лодка
Момче с маса 50 kg скача от неподвижна лодка с маса 100 kg към брега със скорост 3 m/s. С каква скорост ще отплава лодката назад? (Съпротивлението на водата пренебрегваме.)
⚽ Ритник
Футболна топка с маса 0,43 kg лежи на земята. След ритник тя отлита с 20 m/s, а кракът е в контакт с нея около 0,01 s. Каква е средната сила на удара?
🚗 Катастрофа
Кола с маса 1000 kg се движи с 20 m/s и се блъсква в спрял джип с маса 1500 kg. Колите се сплитат и продължават заедно. С каква скорост се движат веднага след удара и каква част от кинетичната енергия се губи?
🔫 Откат на пушка
Ловна пушка с маса 4 kg изстрелва куршум с маса 10 g със скорост 800 m/s. С каква скорост се отмята пушката назад?
🚀 Към орбита
За да стигне ниска орбита около Земята, ракетата трябва да промени скоростта си с около 9,3 km/s (заедно със загубите от гравитацията и въздуха). Газовете излитат със скорост 3 km/s. Колко пъти трябва да е по-тежка ракетата при старта, отколкото без горивото, ако е едностепенна?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
8. ⚠️ Чести грешки
Знаците на скоростите
✗ за коли, движещи се една срещу друга
✓ избираме посока:
Отскачаща топка
✗
✓ – посоката се обръща
Енергията при удар
✗ кинетичната енергия винаги се запазва
✓ запазва се само при еластичен удар; импулсът – винаги
Външни сили
✗ импулсът на падащ камък се запазва
✓ гравитацията е външна сила – запазва се импулсът на затворена система
Въздушната възглавница
✗ намалява изменението на импулса
✓ е същото – възглавницата удължава и намалява
Ракетата във вакуум
✗ газовете се отблъскват от въздуха
✓ ракетата изхвърля газове назад и получава импулс напред – въздухът дори пречи
9. 🎯 Бърз тест
Каква е единицата за импулс в SI?
10. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
11. Обобщение
- ✓ Импулс – вектор, единица
- ✓ ; при едно и също по-дългото време означава по-малка сила
- ✓ В затворена система импулсът се запазва; се
- ✓ При еластичен удар се запазва и кинетичната енергия; при нееластичен част от нея става топлина и деформация
- ✓ Нееластичен удар: ; еластичен с равни маси – размяна на скоростите
- ✓ Ракета: – затова ракетите са многостепенни
💡 Интересен факт
Сложи тенис топка върху баскетболна и ги пусни заедно. Баскетболната топка отскача от пода и веднага удря тенис топката, която все още пада. Ако ударите бяха напълно еластични, а тенис топката – много по-лека, тя би отскочила с 3 пъти по-голяма скорост и би се издигнала до 9 пъти по-високо! В действителност ударите губят енергия и височината е по-малка, но пак е изненадващо голяма. По подобен начин – чрез „“ – космическите сонди печелят скорост, когато прелитат покрай движеща се планета.