Impuls w fizyce: znaczenie, moment siły, wzór obliczeniowy

Przetłumaczone z łaciny słowo "impuls" oznacza uderzenie, wstrząs. Człowiek zawsze był zaskoczony efektem, jaki wywołuje uderzenie. Spróbujmy zrozumieć z punktu widzenia fizyki takie pojęcia jak siła uderzenia, siła impulsu oraz wzór na jej obliczenie.

Impuls i jego siła

W fizyce istnieje wyraźne rozróżnienie między pojęciami pędu i siły. Należy rozumieć, że pęd to wielkość ruchu. Definiuje się ją jako iloczyn prędkości ciała przez jego masę:

p = m × v.

Aby obliczyć moment pędu siły, należy uzupełnić wzór o określenia siły F i czasu t. W grę wchodzi tu najważniejsze prawo fizyki dotyczące zachowania pędu - moment pędu.

Wzór na pęd przez siłę można przedstawić w następujący sposób:

F = (m v₁-m v₀) / t, lub m v₁ - m v₀ = F t,

gdzie F jest przyłożoną siłą,

t jest jednostką czasu,

m - masa ciała,

v₀ - prędkość początkowa,

v₁ - prędkość końcowa po uderzeniu.

Jeśli więc prędkość początkowa obiektu o danej masie w czasie wzrasta pod wpływem działania jakiejś siły, to taka zmiana wielkości ruchu w jednostce czasu będzie proporcjonalna do działającej siły. Moment pędu siły, której wzór jest pokazany, wykazuje drugie prawo Newtona. Wynika z tego, że krótkotrwałe przyłożenie dużej siły może spowodować taką samą zmianę pędu jak długotrwałe przyłożenie małej siły.

Prawa fizyki na przykładzie uderzenia

Praktyczny efekt niezmienności energii i pędu można wyraźnie zilustrować na przykładzie zderzenia, gdyż zjawisko zderzenia jest szeroko wykorzystywane w nauce i technice.

Materiały dzielimy na sprężyste i niesprężyste. Sprężysta powróci do swojego pierwotnego kształtu po ustaniu siły odkształcającej. Gdy obiekt sprężysty spada na sprężystą podporę, czyli następuje zderzenie, powstaje siła sprężystości, która działa od strony podpory i zwalnia prędkość obiektu. Świadczy o tym wzór na siłę pędu. Fizyka uderzenia ma szerokie zastosowanie w przemyśle.

Siła uderzenia zależy od czasu jego trwania i elastyczności podparcia. Na sztywnym podłożu czas trwania uderzenia będzie krótszy, a średnia siła większa. W przypadku miękkiego wsparcia - wręcz przeciwnie. Na przykład miękka siatka, rozpięta w cyrku, chroni gimnastyczkę przed silnym uderzeniem.

Bezwarunkowa stałość pędu

Dla oddziaływania układu ciał obowiązuje zasada zachowania pędu. Jeżeli na taki układ nie oddziałują ciała zewnętrzne, to oddziaływanie ciał wewnątrz tego izolowanego układu nie zmieni jego całkowitego pędu.

Prawa zachowania pędu i energii są podstawowymi prawami przyrody. Ale zachowanie pędu w procesach mechanicznych jest zawsze prawdziwe i bezwarunkowe. Moment pędu siły i wzór na jego obliczenie udowadnia to w praktyce. Jednak przestrzeganie prawa zachowania energii w mechanice wymaga spełnienia pewnych warunków.

Gdyby można było uwzględnić wszystkie rodzaje energii przed i po uderzeniu, można by zauważyć, że nawet w przypadku uderzenia nieelastycznego prawo zachowania energii jest przestrzegane. To zawsze prawda, ale istnieje możliwość, że jakiś rodzaj energii przekształca się z jednej w drugą. W praktycznych zastosowaniach jest to szczególnie ważne.

Impuls jest wielkością wektorową zależną od masy ciała i jego prędkości. Siła pędu opisuje zmianę ruchu ciała pod wpływem działania danej siły w określonym czasie.