Förstå Momentum i fysik

Momentum är en härledd mängd, beräknad genom att multiplicera massan, m (en skalmängd), gånger hastighet, v (en vektorkvantitet). Detta innebär att fartet har en riktning och att riktningen alltid är samma riktning som hastigheten för ett föremålets rörelse. Variabeln som används för att representera fart är p. Ekvationen för att beräkna momentum visas nedan.

p = mv

De SI-enheter momentum är kilogram gånger meter per sekund, eller kg*m/s.

Som vektorkvantitet kan momentum delas upp i komponentvektorer. När du tittar på en situation på ett tredimensionellt koordinatnät med märkta anvisningar x, y, och z. Till exempel kan du prata om den momentumkomponent som går i vart och ett av dessa tre riktningar:

p_x = mv_x
p_y = mv_y
p_z = mv_z

Dessa komponentvektorer kan sedan rekonstitueras tillsammans med teknikerna för vektor matematik, som inkluderar en grundläggande förståelse av trigonometri. Utan att gå in på trig-specifikationerna visas de grundläggande vektorekvationerna nedan:

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

En av de viktigaste egenskaperna hos momentum och anledningen till att det är så viktigt att göra fysik är att det är en konserverad kvantitet. Ett systems totala momentum kommer alltid att förbli detsamma, oavsett vilka förändringar systemet går igenom (så länge nya momentbärande objekt inte införs, det vill säga).

Anledningen till att detta är så viktigt är att det gör det möjligt för fysiker att göra mätningar av systemet före och efter systemets förändring och dra slutsatser om det utan att behöva känna till varje specifik detalj i kollisionen sig.

Tänk på ett klassiskt exempel på två biljardbollar som kolliderar ihop. Denna typ av kollision kallas en elastisk kollision. Man kan tänka sig att för att ta reda på vad som kommer att hända efter kollisionen måste en fysiker noggrant studera de specifika händelser som sker under kollisionen. Detta är faktiskt inte fallet. Istället kan du beräkna momentumet för de två bollarna före kollisionen (p_1i och p_2i, där det jag står för "initial"). Summan av dessa är systemets totala fart (låt oss kalla det p_T, där "T" står för "totalt) och efter kollisionen - den totala momentum kommer att vara lika med detta, och vice versa. Momentet för de två bollarna efter kollisionen är p_1f och p_1f, där det f står för "final." Detta resulterar i ekvationen:

p_T = p_1i + p_2i = p_1f + p_1f

Om du känner till några av dessa momentumvektorer, kan du använda dem för att beräkna de saknade värdena och konstruera situationen. I ett grundläggande exempel, om du vet att boll 1 var i vila (p_1i = 0) och du mäter hastigheter av bollarna efter kollisionen och använda det för att beräkna deras momentumvektorer, p_1f och p_2f, kan du använda dessa tre värden för att bestämma exakt momentum p_2i måste ha varit. Du kan också använda detta för att bestämma hastigheten på den andra bollen innan kollisionen sedan p / m = v.

En annan typ av kollision kallas en oelastisk kollisionoch dessa kännetecknas av det faktum att kinetisk energi går förlorad under kollisionen (vanligtvis i form av värme och ljud). I dessa kollisioner är dock fart är bevarad, så den totala fart efter kollisionen är lika med den totala fart, precis som i en elastisk kollision:

p_T = p_1i + p_2i = p_1f + p_1f

När kollisionen resulterar i att de två föremålen "fastnar" ihop, kallas det a perfekt oelastisk kollision, eftersom den maximala mängden kinetisk energi har gått förlorad. Ett klassiskt exempel på detta är att skjuta en kula i ett träblock. Kulan stannar i träet och de två föremål som rörde sig nu blir ett enda objekt. Den resulterande ekvationen är:

m₁v_1i + m₂v_2i = (m₁ + m₂)v_f

Liksom med de tidigare kollisionerna, med denna modifierade ekvation kan du använda några av dessa kvantiteter för att beräkna de andra. Du kan därför skjuta träblocket, mäta hastigheten med vilken det rör sig när du skjuts och beräkna sedan fart (och därför hastighet) vid vilken kulan rörde sig före kollision.

Newtons andra rörelselag berättar för oss att summan av alla krafter (vi kallar det här F_summaäven om den vanliga notationen innebär att den grekiska bokstaven sigma) agerar på ett objekt är lika med masstiderna acceleration av objektet. Acceleration är hastigheten på hastighetsförändring. Detta är derivatet av hastighet med avseende på tid, eller dv/dt, i kalkyltermer. Med hjälp av någon grundberäkning får vi:

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

Med andra ord, summan av krafterna som verkar på ett objekt är det härledda av momentumet med avseende på tid. Tillsammans med de tidigare beskrivna bevarandelagarna är detta ett kraftfullt verktyg för att beräkna krafterna som verkar på ett system.

I själva verket kan du använda ovanstående ekvation för att härleda bevarandelagarna som diskuterats tidigare. I ett slutet system är de totala krafterna som verkar på systemet noll (F_summa = 0), och det betyder det dP_summa/dt = 0. Med andra ord kommer summan av alla momentum i systemet inte att förändras över tid, vilket innebär att den totala fart P_summamåste förbli konstant. Det är bevarande av fart!