Что такое удар Взаимодействие тел путем соударения
Например, путем соударения взаимодействуют атомы и молекулы в тепловом движении, путем соударения осуществляется взаимодействие быстро движущихся электронов или фотонов с частицами вещества, взаимодействие ядер атомов и элементарных частиц при ядерных реакциях и т. д.
Различают соударение упругое, при котором кинетическая энергия частиц остается неизменной, только перераспределяется между ними, и неупругое, при котором кинетическая энергия частиц уменьшается: часть ее переходит в другие виды энергии.
Ограничимся рассмотрением простейшего случая — соударения двух шаров из одинакового вещества, так как оно является наиболее характерным для рассматриваемых явлений.
Вследствие исключительной кратковременности взаимодействия в телах возникают столь значительные внутренние силы, что внешними силами, действующими на них, можно пренебречь и, считая систему замкнутой, применить к ней закон сохранения количества движения.
Центральный удар
Рассмотрим вначале наиболее простой — центральный удар, т. е. соударение двух шаров А и Б (рис. 2, а), центры масс которых двигаются по одной прямой RS в одинаковом направлении. Массы шаров m1 и m2, скорости υ1 и υ2 и количества движения m1υ1 и m2υ2. Допустим, что υ1> υ2, тогда через некоторое время шар А догонит Б произойдет соударение. Вследствие инерции скорость шара Б не может мгновенно изменяться и потому шар А оказывает на шар Б давление, вызывающее деформацию сжатия соприкасающихся частей обоих шаров.
При этом шар А замедляется, а шар Б ускоряется. Когда скорости шаров сравняются, дальнейшая деформация их прекращается. Это — первая фаза удара: сближение и деформация. Если пренебречь потерей энергии при деформации, то общую скорость шаров υ0 можно определить, пользуясь законом сохранения количества движения:
υ0 = (m1υ1 + m2υ2)/(m1 + m2)
Если соударение неупругое, то деформация шаров является остаточной и удар заканчивается первой фазой: шары продолжают двигаться вместе с некоторой скоростью, значительно меньшей, чем скорость υ0, вследствие потери части кинетической энергии при необратимой деформации.
При упругом ударе вслед за первой наступает вторая фаза (восстановление формы и перераспределение скоростей): за счет упругости шары принимают прежнюю форму и при этом взаимно отталкиваются. Вследствие этого скорость шара А еще больше уменьшается, а скорость шара Б увеличивается и шары расходятся, имея скорости υ1‘ и υ2‘ иные, чем до удара (рис. 2,б). Эти скорости зависят от скоростей, которые шары имели до удара, и от соотношения масс шаров.
Соударение шаров при одинаковой массе
Рассмотрим некоторые частные случаи. Если массы шаров равны, то после удара шары начинают двигаться, обменявшись скоростями (рис. 3, а). Если до удара второй шар был неподвижным, то после удара первый шар останавливается, а второй начинает двигаться со скоростью, которую имел первый шар (рис. 3, б). В случае когда масса движущегося шара больше, чем у неподвижного, после удара оба шара будут двигаться в одном направлении с разными скоростями подобно случаю, изображенному на рис. 2. б.
Если масса движущегося шара меньше, чем у неподвижного, то при ударе шар с меньшей массой оттолкнется от большого шара и будет двигаться в обратном направлении. Шар с большой массой начинает двигаться в направлении удара (рис. 3, в).
Рассмотрим центральный удар шара о неподвижную упругую стенку (рис. 3, г). Механизм удара аналогичен удару двух шаров. Скорость шара при этом, не изменяя величины, меняет знак на обратный: υ = —υ.
Вычислим импульс i’ силы, действующий на шар со стороны стенки. Он равен изменению количества движения шара:
i’= mυ‘ — mυ = — mυ — mυ = — 2mυ.
Следовательно, по третьему закону Ньютона, на стенку со стороны шара действует импульс i = —i’=2mυ.
Удар шаров под углом
Удар может произойти также и между шарами, направления движения которых составляют некоторый угол, или в том случае, когда центры масс шаров, двигающихся в одном и том же направлении, не лежат на одной прямой. Подобный удар называется нецентральным или боковым.
Рассмотрим наиболее простой случай бокового удара двигающегося шара о второй — неподвижный. Разложим скорость v первого шара на две составляющие: υr направленную по прямой, соединяющей центры шаров, и υt направленную перпендикулярно этой прямой (рис 4). При ударе может изменяться только составляющая скорости υr так как только в этом направлении действуют упругие силы деформации шаров.
Если массы шаров равны, то двигающийся шар передаст составляющую скорости υr неподвижному шару. Следовательно, после удара второй шар двигается со скоростью υr а первый шар — со скоростью υt. Угол между направлениями шаров будет прямым.
При не равной массе
Когда массы шаров не равны, то составляющая скорости υr будет перераспределяться между ними. При этом второй шар во всех случаях двигается со скоростью υr‘, совпадающей по направлению, но меньшей по величине, чем скорость υr. Первый шар двигается по направлению, несколько отклоняющемуся от направления скорости υt.
Если масса первого шара больше то отклонение происходит в сторону второго шара и угол между направлениями движения шаров будет острым. Если масса первого шара меньше, то отклонение происходит в противоположную сторону и угол между направлениями движения шаров будет тупым.
Таким образом, по характеру образующейся после удара вилки можно судить о соотношении масс соударявшихся шаров.
Выделенная энергия
При упругом ударе между шарами или между микрочастицами происходит перераспределение их кинетической энергии. При равных массах шар или микрочастица с более высокой энергией передает часть своей энергии шару или микрочастице с меньшей энергией.
При неупругом ударе шаров часть их кинетической энергии превращается в теплоту, выделяющуюся при остаточной деформации. При неупругом соударении микрочастиц часть кинетической энергии может затрачиваться на изменение их внутренней структуры, т. е. превращаться в потенциальную энергию, может переходить в энергию электромагнитного излучения и т. п.
Статья на тему удар