Уроки 15–16 · 2 урока · Н. Ш. Турдиев, К. А. Турсунметов, А. Г. Ганиев, К. Т. Суяров, Ж. Э. Усаров, А. К. Авлиёкулов. Физика, 10 класс, 1-е издание. Издательство «Niso Poligraf», Ташкент, 2017
16
Абсолютно упругие и неупругие столкновения тел
Учебник: с. 53–56
ЦельИспользовать законы сохранения импульса и энергии при абсолютно упругих и неупругих столкновениях.
Столкновение — это взаимодействие двух или более тел, длящееся очень короткое время. Импульс тела p = mυ (вектор), а в замкнутой системе векторная сумма импульсов сохраняется. При абсолютно неупругом столкновении тела деформируются и движутся вместе (с одной и той же скоростью): m₁υ₁ + m₂υ₂ = (m₁ + m₂)u, поэтому u = (m₁υ₁ + m₂υ₂)/(m₁ + m₂) (скорости берутся вдоль одной оси с учётом знаков). Часть механической энергии превращается во внутреннюю (тепло, деформация), поэтому кинетическая энергия не сохраняется. При абсолютно упругом столкновении деформация не оставляет остаточных следов, и сохраняются и импульс, и кинетическая энергия: m₁υ₁ + m₂υ₂ = m₁υ₁′ + m₂υ₂′ и m₁υ₁²/2 + m₂υ₂²/2 = m₁υ₁′²/2 + m₂υ₂′²/2. Если второе тело покоится (υ₂ = 0), то υ₁′ = (m₁ – m₂)υ₁/(m₁ + m₂) и υ₂′ = 2m₁υ₁/(m₁ + m₂). Если массы равны, тела обмениваются скоростями. Реальные столкновения лежат между этими двумя идеальными случаями.
Примеры
Пластилиновый шарик (2 кг, 6 м/с) прилипает к неподвижному шару массой 4 кг: u = 2·6/(2 + 4) = 2 м/с. Кинетическая энергия была 2·36/2 = 36 Дж и стала 6·4/2 = 12 Дж: 24 Дж превратились во внутреннюю энергию.
Упругое столкновение: шар массой 2 кг со скоростью 6 м/с ударяет неподвижный шар массой 1 кг. υ₁′ = (2 – 1)·6/3 = 2 м/с, υ₂′ = 2·2·6/3 = 8 м/с. Проверка: импульс 12 = 2·2 + 1·8 = 12; энергия 36 = 4 + 32 = 36.
Работа в классе
Только вместе с учителем: подвесьте на нитях два одинаковых металлических шарика как «маятник Ньютона»; отведите один в сторону, отпустите и понаблюдайте, как подпрыгивает шарик на другом конце. Объясните с помощью законов сохранения импульса и энергии. Держите пальцы подальше от шариков.
Упражнения
1
Чем различаются абсолютно упругое и абсолютно неупругое столкновения?
При упругом сохраняются и импульс, и кинетическая энергия; при неупругом тела движутся вместе, и часть кинетической энергии превращается во внутреннюю.
2
Вагон массой 20 т, движущийся со скоростью 4 м/с, ударяет неподвижный вагон массой 20 т, и они сцепляются. Какова их общая скорость (м/с)?
2
3
Шар массой 2 кг со скоростью 6 м/с упруго ударяет неподвижный шар массой 1 кг. Какова скорость второго шара (м/с)?
8
4
Почему при неупругом столкновении кинетическая энергия не сохраняется, а импульс сохраняется?
Внешними силами можно пренебречь, поэтому импульс сохраняется; часть энергии уходит на деформацию и тепло.