Forståelse af momentum i fysik

Momentum er en afledt mængde, beregnet ved at multiplicere massen, m (en skalær mængde), gange hastighed, v (en vektormængde). Dette betyder, at momentumet har en retning, og at retningen altid er i samme retning som hastigheden af ​​et objekts bevægelse. Den variabel, der bruges til at repræsentere momentum, er p. Ligningen til beregning af momentum er vist nedenfor.

p = mv

Det SI-enheder momentum er kilogram gange meter per sekund, eller kg*m/s.

Som vektormængde kan momentum opdeles i komponentvektorer. Når du ser på en situation på et tredimensionelt koordinatnet med retninger mærket x, y, og z. For eksempel kan du tale om den momentumkomponent, der går i hver af disse tre retninger:

p_x = mv_x
p_y = mv_y
p_z = mv_z

Disse komponentvektorer kan derefter rekonstitueres ved anvendelse af teknikkerne til vektor matematik, som inkluderer en grundlæggende forståelse af trigonometri. Uden at gå ind på trig-specifikationerne er de grundlæggende vektorligninger vist nedenfor:

p = p_x + p_y + p_z = mv_x + mv_y + mv_z

En af de vigtige egenskaber ved momentum og grunden til, at det er så vigtigt i fysik, er, at det er en konserveret antal. Et systems samlede momentum vil altid forblive det samme, uanset hvilke ændringer systemet gennemgår (så længe der ikke introduceres nye momentumbærende objekter, det vil sige).

Årsagen til, at dette er så vigtigt, er, at det giver fysikere mulighed for at foretage målinger af systemet før og efter systemets ændring og konklusioner om det uden at skulle kende enhver specifik detalje ved kollisionen sig selv.

Overvej et klassisk eksempel på to billardkugler, der kolliderer sammen. Denne type kollision kaldes en elastisk kollision. Man kunne tro, at en fysiker er nødt til at undersøge de specifikke begivenheder, der finder sted under kollisionen for at finde ud af, hvad der vil ske efter kollisionen. Dette er faktisk ikke tilfældet. I stedet kan du beregne momentumet for de to kugler inden kollisionen (p_1i og p_2i, hvor er jeg står for "initial"). Summen af ​​disse er systemets samlede momentum (lad os kalde det p_T, hvor "T" står for "total) og efter kollisionen - vil det samlede momentum være lig med dette, og omvendt. Momentet for de to bolde efter kollisionen er p_1f og p_1f, hvor er f står for "final." Dette resulterer i ligningen:

p_T = p_1i + p_2i = p_1f + p_1f

Hvis du kender nogle af disse momentumvektorer, kan du bruge dem til at beregne de manglende værdier og konstruere situationen. I et grundlæggende eksempel, hvis du ved, at bold 1 var i ro (p_1i = 0) og du måler hastigheder af kuglerne efter kollisionen og brug det til at beregne deres momentumvektorer, p_1f og p_2f, kan du bruge disse tre værdier til at bestemme nøjagtigt momentum p_2i må have været. Du kan også bruge dette til at bestemme hastigheden af ​​den anden bold før kollisionen siden p / m = v.

En anden type kollision kaldes en uelastisk kollision, og disse er kendetegnet ved, at kinetisk energi går tabt under kollisionen (normalt i form af varme og lyd). I disse kollisioner er imidlertid momentum er bevaret, så det samlede momentum efter kollisionen er lig med det samlede momentum, ligesom i en elastisk kollision:

p_T = p_1i + p_2i = p_1f + p_1f

Når kollisionen resulterer i, at de to genstande "klæber" sammen, kaldes det a perfekt uelastisk kollisionfordi den maksimale mængde kinetisk energi er gået tabt. Et klassisk eksempel på dette er at skyde en kugle ind i en træblok. Kuglen stopper i træet, og de to objekter, der bevægede sig, bliver nu et enkelt objekt. Den resulterende ligning er:

m₁v_1i + m₂v_2i = (m₁ + m₂)v_f

Ligesom med de tidligere kollisioner giver denne modificerede ligning dig mulighed for at bruge nogle af disse mængder til at beregne de andre. Du kan derfor skyde træblokken, måle den hastighed, hvormed den bevæger sig, når den skyder, og beregn derefter momentum (og derfor hastighed), hvormed kuglen bevægede sig inden kollision.

Newtons anden bevægelseslov fortæller os, at summen af ​​alle kræfter (vi kalder dette F_sum, selvom den sædvanlige notation involverer det græske bogstav sigma), der handler på et objekt, er lig med massetiderne acceleration af objektet. Acceleration er hastigheden for ændring af hastighed. Dette er derivatet af hastighed med hensyn til tid eller dv/dt, i regnestykker. Ved hjælp af en eller anden grundlæggende beregning får vi:

F_sum = ma = m * dv/dt = d(mv)/dt = dp/dt

Med andre ord er summen af ​​de kræfter, der virker på et objekt, afledningen af ​​momentumet med hensyn til tid. Sammen med de beskyttelseslove, der er beskrevet tidligere, giver dette et kraftfuldt værktøj til beregning af kræfterne, der virker på et system.

Faktisk kan du bruge ovenstående ligning til at udlede de bevaringslove, der er omtalt tidligere. I et lukket system vil de samlede kræfter, der virker på systemet, være nul (F_sum = 0), og det betyder det dP_sum/dt = 0. Med andre ord, summen af ​​alt momentum i systemet ændrer sig ikke over tid, hvilket betyder, at det totale momentum P_sumskal Forbliv konstant. Det er bevarelsen af ​​momentum!