Закон сохранения импульса. О чём там вообще речь на понятном языке

Мы постоянно встречаемся с ним как в нашей жизни, так и на страницах учебников. Часто получается, что разобраться с ним бывает даже сложнее, чем с законами Ньютона или законом сохранения механической энергии.

Речь идёт о законе сохранения импульса. Вопрос относится к теме #классическая механика .

Импульс — это довольно популярное слово в нашей разговорной речи. Оно означает что-то, что исходит от нас или из нас самих. Что-то, что является источником будущего движения или деятельности.

В физике же под импульсом понимается количество движения. Если проанализировать применение слова импульс в быту и жизни, то оно, в целом-то, будет соответствовать обозначенной выше логике и тоже будет подразумевать количество движения. Что это за такое количество движения?

Представьте себе, что вы кого-то ударили. Вполне понятно, что в процессе участвовали такие характеристики, как сила удара и сопротивление среды (пусть ветер). Но даже если мы рассчитали силу, с которой мы ударили человека по второму закону Ньютона и учли все внешние воздействия, мы не можем предсказать, сколько пролетит человек, не понимая в каком количестве мы его ударили. Мы передали ему какое-то количество движения, которое может и дальше перемещать этого человека и рассеиваться на сопротивление внешней среды. Абсолютное значение мы можем рассчитать по стандартным формулам типа F=ma, но есть что-то, что сохраняет это количество. Появляется такая характеристика, как инерция.

Интересно отметить, что никто до сих пор так и не может сказать, что именно является «носителем» этой инерции и что это такое. Часто инерцию связывают с гравитацией. Но пока мы изучаем классическую механику и отвлечемся от этих сложных рассуждений.

Для того, чтобы понять что такое импульс в механике, нужно обратиться, как бы это ни было странно, к истории. Изначально предполагалось, что для движения тела ему постоянно следует сообщать некоторую силу. Было резонно замечено, что если пнуть ногой лежащий камень, то он продолжает лететь даже при отсутствии взаимодействия с этой пнувшей его ногой. Не нужно пинать камень каждую миллисекунду и сохранять связь с ногой, чтобы движение камня продолжалось. Мы бы сказали, что такой камень продолжает движение по инерции.

Инерция — это способность тела оставаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейно двигаться в отсутствие внешних воздействий, а также препятствовать изменению своей скорости.

Всё здорово, но как посчитать это количество инерции? Ведь где-то её больше, а где-то меньше?

Была выдвинута идея, что перемещающийся предмет обладает неким импетусом, который прямо пропорционален скорости. Кроме того, импетус сохраняется бесконечно, если на перемещающееся тело не воздействуют другие факторы типа ветра.

Но ближе всего к импульсу в нашем современном понимании подобрался Рене Декарт. Он доработал идею с импетусом и сказал, что есть величина «количество движения». Мало того, что сохраняется количество движения одного тела, так ещё и сохраняется количество движения системы других взаимодействующих друг с другом тел, но изолированных от внешнего мира. По сути дела, речь идёт про вагон метро, который обладает количеством движения вне зависимости от взаимодействия пассажиров внутри него.

Далее представление Декарта об этом вопросе было дополнено «векторностью». Логично было предположить, что направление вектора скорости соответствует направлению количества движения.

Ну а Ньютон довел эту идею до ума.

В итоге, было логично предположено, что количество движения зависит от массы тела, которое вступает во взаимодействие с другим телом и от скорости, с которой это взаимодействие происходит. Считается оно как произведение массы тела, на его скорость. Эту характеристику стали называть импульс тела. Если речь идёт про систему тел, то мы должны найти векторную сумму всех импульсов, входящих в эту систему.

Но ведь именно сила является причиной изменения импульса тела. Эту характеристику стали называть импульс силы. И равна она произведению силы, которая воздействовала на тело на время этого воздействия.

Импульс тела равен импульсу силы.

Это значит, что mV=Ft

Возвращаясь из теории на землю, мы бьем камень с силой два ньютона, взаимодействие ноги и камня длится пусть 0,01 часа. Полученный импульс от ноги — это произведение 0,01 часа на два ньютона. Этого импульса хватит, чтобы камень массой 1 кг полетел со скоростью 0,02 м/с.

Было установлено, что импульс не изменяется при взаимодействиях, изменяющих лишь механические характеристики системы. Что относится к таким характеристикам? Ну в примере с ногой — это тип движения и его взаимодействия.

Получается, что импульс имеет свойство сохраняться. Тот же факт, что мы постоянно не перемещаемся в хаотическим движении связан с тем, что на нас воздействуют другие силы — сила трения, сила тяготения и т.п. и т.д. Мы подходим к закону сохранения импульса:

Закон сохранения импульса утверждает, что сумма импульсов всех тел системы есть величина постоянная, если векторная сумма внешних сил, действующих на систему тел, равна нулю.

Значит ли это, что закон сохранения импульса не работает на Земле в обычных условиях?

Ведь тут далеко не всегда векторная сумма всех сил, действующих на систему, равна нулю. Отнюдь нет! Он работает. Правда «рассеивается» в итоге и полученное количество движение не сохранится постоянно. Использовать же запись вполне допустимо.

Пушка стрельнула, рассчитали начальные скорости ядра по закону сохранения импульса, зная массу ядер, и исходим из того, что скорости эти рассеиваются на внешние воздействия.

Поэтому, закон сохранения импульса проще было бы сформулировать так:

Векторная сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, не меняется с течением времени при любых взаимодействиях этих тел.

Зато вот в космосе вполне можно разгуляться.

Так, если ракета разок получит импульс от сгорающего топлива (которое в космосе не горит)…поэтому, правильнее сказать — от реактивного движения, то взаимодействием ракеты с другими телами можно пренебречь и принять, что весь импульс от топлива передался ракете и не будет рассеиваться.

Стоит помнить и о том, что закон сохранения импульса является следствием всеобщего закона сохранения энергии и был выведен из него.