理解物理学中的动量

动量是一个衍生量,通过将质量m(标量)乘以速度v(矢量)计算得出。这意味着动量有一个方向,该方向始终与物体运动的速度方向相同。用来表示动量的变量是p。计算动量的方程式如下所示。...

动量是一个衍生量,通过将质量m(标量)乘以速度v(矢量)计算得出。这意味着动量有一个方向,该方向始终与物体运动的速度方向相同。用来表示动量的变量是p。计算动量的方程式如下所示。

Rider and horse jumping in competition.

动量方程

p = mv

国际单位制动量单位为千克乘以米每秒,或千克*米/秒。

矢量分量和动量

作为矢量,动量可以分解为分量矢量。当您在标有x、y和z方向的三维坐标网格上查看情况时。例如,你可以讨论在这三个方向上的动量分量:

px = mvx py = mvy pz = mvz

然后,可以使用向量数学的技术将这些分量向量重新组合在一起,其中包括对三角学的基本理解。在不讨论trig细节的情况下,基本矢量方程如下所示:

p = px + py + pz = mvx + mvy + mvz

动量守恒

动量的一个重要性质,也是它在物理学中如此重要的原因,是它是一个守恒量。一个系统的总动量将始终保持不变,无论系统经历了什么变化(即,只要没有引入新的动量载体)。

这一点之所以如此重要,是因为它允许物理学家在系统变化前后对系统进行测量,并对其做出结论,而无需实际了解碰撞本身的每一个具体细节。

考虑两个台球碰撞在一起的经典例子。这种类型的碰撞称为弹性碰撞。有人可能会认为,为了弄清碰撞后会发生什么,物理学家必须仔细研究碰撞期间发生的具体事件。事实并非如此。相反,可以计算碰撞前两个球的动量(p1i和p2i,其中i代表“初始”)。这些的总和是系统的总动量(我们称之为pT,其中“T”代表“total”)和碰撞后的总动量-总动量将等于此,反之亦然。碰撞后两个球的动量是p1f和p1f,其中f代表“final”。这导致方程:

pT = p1i + p2i = p1f + p1f

如果你知道其中的一些动量向量,你可以用它们来计算缺失的值并构建情境。在一个基本示例中,如果您知道球1处于静止状态(p1i=0),并且您测量碰撞后球的速度,并使用该速度来计算它们的动量向量p1f和p2f,那么您可以使用这三个值来准确确定动量p2i必须已被测量。由于p/m=v,您还可以使用该值确定碰撞前第二个球的速度。

另一种类型的碰撞称为非弹性碰撞,其特点是碰撞过程中动能损失(通常以热量和声音的形式)。然而,在这些碰撞中,动量守恒,因此碰撞后的总动量等于总动量,就像在弹性碰撞中一样:

pT = p1i + p2i = p1f + p1f

当碰撞导致两个物体“粘在一起”时,称之为完全非弹性碰撞,因为已经损失了最大的动能。一个典型的例子是向一块木头发射子弹。子弹停在木头里,两个正在移动的物体变成了一个物体。得出的方程式为:

m1v1i + m2v2i = (m1 + m2)vf

与前面的碰撞一样,这个修改后的方程允许您使用其中的一些量来计算其他的量。因此,您可以射击木块,测量它在射击时的移动速度,然后计算碰撞前子弹移动的动量(因此也就是速度)。

动量物理学与第二运动定律

牛顿第二运动定律告诉我们,作用在物体上的所有力的总和(我们称之为Fsum,尽管通常的符号是希腊字母sigma)等于物体的质量乘以加速度。加速度是速度的变化率。这是速度对时间的导数,或者用微积分的术语来说是dv/dt。使用一些基本演算,我们得到:

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

换句话说,作用在物体上的力的总和是动量对时间的导数。与前面描述的守恒定律一起,这为计算作用在系统上的力提供了一个强大的工具。

事实上,你可以用上面的方程推导出前面讨论过的守恒定律。在封闭系统中,作用在系统上的总力为零(Fsum=0),这意味着dPsum/dt=0。换句话说,系统内所有动量的总和不会随时间变化,这意味着总动量Psum必须保持恒定。这就是动量守恒!

  • 发表于 2021-09-21 09:32
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  • 分类:科学

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