Forstå Momentum i fysikk

Momentum er en avledet mengde, beregnet ved å multiplisere massen, m (en skalær mengde), ganger hastighet, v (en vektormengde). Dette betyr at momentumet har en retning og at retningen alltid er i samme retning som hastigheten på et objekts bevegelse. Variabelen som brukes til å representere momentum er p. Ligningen for å beregne momentum er vist nedenfor.

p = mv

De SI-enheter momentum er kilo ganger meter per sekund, eller kg*m/s.

Som vektormengde kan momentum brytes ned til komponentvektorer. Når du ser på en situasjon på et tredimensjonalt koordinatnett med retninger merket x, y, og z. For eksempel kan du snakke om momentumkomponenten som går i hver av disse tre retningene:

p_x = mv_x
p_y = mv_y
p_z = mv_z

Disse komponentvektorene kan deretter rekonstitueres sammen ved bruk av teknikkene til vektormatematikk, som inkluderer en grunnleggende forståelse av trigonometri. Uten å gå inn på trig-spesifikasjonene, er de grunnleggende vektorligningene vist nedenfor:

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

En av de viktige egenskapene til fart, og grunnen til at det er så viktig i fysikk, er at det er en konservert mengde. Systemets totale momentum vil alltid forbli det samme, uansett hvilke endringer systemet går gjennom (så lenge nye momentumbærende objekter ikke blir introdusert, det vil si).

Årsaken til at dette er så viktig, er at det gjør det mulig for fysikere å foreta målinger av systemet før og etter systemets endring og gjøre konklusjoner om det uten å måtte kjenne til alle spesifikke detaljer ved kollisjonen seg selv.

Tenk på et klassisk eksempel på at to biljardkuler kolliderer sammen. Denne typen kollisjon kalles en elastisk kollisjon. Man kan tro at for å finne ut hva som kommer til å skje etter kollisjonen, må en fysiker nøye studere de spesifikke hendelsene som finner sted under kollisjonen. Dette er faktisk ikke tilfelle. I stedet kan du beregne fart på de to ballene før kollisjonen (p_1i og p_2i, hvor i Jeg står for "initial"). Summen av disse er systemets totale fart (la oss kalle det p_T, der "T" står for "total) og etter kollisjonen - vil det totale momentum være lik dette, og omvendt. Momentet for de to ballene etter kollisjonen er p_1f og p_1f, hvor i f står for "endelig." Dette resulterer i ligningen:

p_T = p_1i + p_2i = p_1f + p_1f

Hvis du kjenner noen av disse momentumvektorene, kan du bruke disse til å beregne de manglende verdiene og konstruere situasjonen. I et grunnleggende eksempel, hvis du vet at ball 1 var i ro (p_1i = 0) og du måler hastigheter av ballene etter kollisjonen og bruk det til å beregne momentumvektorene deres, p_1f og p_2f, kan du bruke disse tre verdiene til å bestemme nøyaktig momentum p_2i må ha vært. Du kan også bruke dette til å bestemme hastigheten på den andre ballen før kollisjonen siden p / m = v.

En annen type kollisjon kalles en uelastisk kollisjon, og disse er preget av at kinetisk energi går tapt under kollisjonen (vanligvis i form av varme og lyd). I disse kollisjonene er imidlertid fart er bevart, slik at total momentum etter kollisjonen tilsvarer total momentum, akkurat som i en elastisk kollisjon:

p_T = p_1i + p_2i = p_1f + p_1f

Når kollisjonen resulterer i at de to gjenstandene "klistrer seg sammen", kalles det a perfekt uelastisk kollisjonfordi den maksimale mengden kinetisk energi har gått tapt. Et klassisk eksempel på dette er å skyte en kule i en treblokk. Kulen stopper i treverket, og de to gjenstandene som beveget seg, blir nå et enkelt objekt. Den resulterende ligningen er:

m₁v_1i + m₂v_2i = (m₁ + m₂)v_f

Som med de tidligere kollisjonene, lar denne modifiserte ligningen deg bruke noen av disse mengdene til å beregne de andre. Du kan derfor skyte treblokken, måle hastigheten som den beveger seg når du blir skutt, og deretter beregne fart (og dermed hastighet) som kulen beveget seg før kollisjon.

Newtons andre bevegelseslov forteller oss at summen av alle krefter (vi kaller dette F_sum, selv om den vanlige notasjonen innebærer at den greske bokstaven sigma) handler på et objekt er lik massetidene akselerasjon av objektet. Akselerasjon er hastigheten på endringshastigheten. Dette er derivatet av hastighet med hensyn til tid, eller dv/dt, i regnestykker. Ved hjelp av noen grunnleggende beregninger, får vi:

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

Summen av kreftene som virker på et objekt er med andre ord derivatet av momentumet med hensyn til tid. Sammen med fredningslovene beskrevet tidligere gir dette et kraftig verktøy for å beregne kreftene som virker på et system.

Faktisk kan du bruke ligningen ovenfor for å utlede fredningslovene som ble diskutert tidligere. I et lukket system vil de totale kreftene som virker på systemet være null (F_sum = 0), og det betyr det dP_sum/dt = 0. Med andre ord, summen av alt momentum i systemet vil ikke endre seg over tid, noe som betyr at det totale momentumet P_summå forblir konstant. Det er bevaring av fart!