I.3.4 УДАР АБСОЛЮТНО УПРУГИХ И НЕУПРУГИХ ТЕЛ
Удар - изменение скоростей тел за очень малый промежуток времени их столкновения. При соударении, тела в большей либо меньшей мере деформируются. При этом кинетическая энергия тел переходит в потенциальную энергию упругой деформации и во внутреннюю энергию тел. Увеличение внутренней энергии приводит к нагреванию тел.
Явление удара разделяется на две стадии: в течение первой стадии, вследствие взаимной деформации, происходит сближение центров масс обоих тел, в течение второй стадии центры масс снова удаляются друг от друга. Если вторая стадия отсутствует, то удар будет неупругим; если в течение второй стадии деформация полностью исчезает, причём нет перехода механической энергии в теплоту, то удар будет абсолютно упругим. В действительности наблюдаются промежуточные случаи полуупругого удара. Большую роль играет при ударе то, являются ли поверхности соприкосновения гладкими или шероховатыми. В последнем случае скольжение тел к концу соударения исчезает. Удар называется центральным, если прямая, соединяющая центры масс, совпадает с общей нормалью к поверхностям обоих тел в точках их соприкосновения; в противном случае – удар нецентральный. Если тела до удара совсем не вращаются и движутся друг относительно друга только в направлении общей нормали, то удар называется прямым. В случае прямого удара трение не играет роли.
Рассмотрим два предельных случая:
§ абсолютно неупругий удар;
§ абсолютно упругий удар.
Абсолютно неупругим называется такой удар, при котором потенциальная энергия упругой деформации не возникает; кинетическая энергия тел частично или полностью превращается во внутреннюю энергию. После удара тела движутся с одинаковой скоростью (т.е. как одно тело), либо покоятся. При таком ударе выполняется только закон сохранения импульса, закон сохранения механической энергии не соблюдается – механическая энергия частично или полностью переходит во внутреннюю.
Рассмотрим этот случай на примере удара абсолютно неупругих шаров. Два шара с массами и (рис. 31,а) двигаются в одном направлении со скоростями и .
а)
б)
|
После взаимодействия (т.е. после абсолютно неупругого удара) оба шара будут двигаться с общей скоростью (рис.31, б). Применим к этой системе закон сохранения количества движения (закон сохранения импульса):
. (I.90)
Следствия:
1. Скорость шаров и изменилась на величину и соответственно.
2. Если и (шары идут навстречу друг другу), то .
3. Если удар направлен в сторону неподвижного тела с большой массой (например, стена, ), то
.
Как изменяется кинетическая энергия при неупругом ударе?
Перед столкновением энергия равна: .
После столкновения .
Убыль кинетической энергии за время столкновения:
. (I.91)
Итак, кинетическая энергия сохраняется в отсутствии какого-либо столкновения, т.е. когда скорости совпадают и шары движутся в одном направлении. Но если скорости и различны, то кинетическая энергия убывает, производя при этом работу деформации и превращаясь в теплоту.
Абсолютно упругим называется такой удар, при котором полная механическая энергия тел сохраняется. Сначала кинетическая энергия частично или полностью переходит в потенциальную энергию упругой деформации. Затем тела возвращаются к первоначальной форме, отталкиваясь, друг от друга. В итоге потенциальная энергия упругой деформации снова переходит в кинетическую и тела разлетаются со скоростями, определяемыми двумя условиями – сохранением суммарной энергии и суммарного импульса тел.
Мы ограничимся рассмотрением центрального удара двух однородных шаров, т.е. когда скорости тел до удара направлены вдоль линии, соединяющей центры масс этих тел.
Два шара с массами и движутся поступательно вдоль горизонтальной прямой со скоростями и (рис.32, а). Требуется определить скорости шаров и . Пусть скорости шаров и после удара ориентированы так, как показано на рисунке 32,б.
При выбранной ориентации заданных векторов , и оси имеем
. (I.92)
а)
б)
|
Система шаров консервативна, и поэтому к ней применим закон сохранения механической энергии в виде
, (I.93)
так как потенциальная энергия шаров в поле тяготения Земли при движении по горизонтали не изменяется.
Решая совместно уравнения (I.92) и (I.93), находим скорости и , которые тела имеют после абсолютного удара,
; . (I.94)
Следствия:
1. Если массы тел равны , то и , - тела обменялись скоростями.
2. Если второй шар до удара покоился , то
; (I.95)
а) при первый шар после удара будет продолжать двигаться вправо, но с меньшей скоростью.
б) при первый шар будет двигаться влево. Второй шар в обоих случаях после удара будет двигаться вправо.
3. Если при будет выполняться условие , то и .
Лёгкое тело после абсолютно упругого удара о массивное неподвижное тело будет изменять направление вектора скорости на противоположное.
Дата добавления: 2016-09-06; просмотров: 3591;