Физика для всех. Движение. Теплота
Шрифт:
Сила, которая выбросила пробку из пробирки, это давление пара. И сила, отклонившая пробирку, – тоже давление пара. Оба движения возникли под действием одной и той же силы. То же самое происходит и при выстреле, только там действует не пар, а пороховые газы.
Явление отдачи необходимо следует из правила равенства действия и противодействия. Если пар действует на пробку, то и пробка действует на пар в обратную сторону, а пар передает это противодействие пробирке.
Но, может быть, вам приходит в голову возражение: разве может одна и та же сила приводить к столь разным следствиям? Ружье лишь слегка отходит обратно, а пуля летит далеко. Мы надеемся, однако,
Это значит, что ускорение, которое получит пушка при откате, будет во столько раз меньше ускорения снаряда, во сколько раз пушка весит больше, чем снаряд.
Ускорение пули, а также и ружья при отдаче, длится до тех пор, пока пуля движется в дуле ружья. Обозначим это время буквой t. Через этот промежуток времени ускоренное движение сменится равномерным. Для простоты будем считать ускорение неизменным. Тогда скорость, с которой пуля вылетит из дула ружья, будет v 1= a 1 t, а скорость отдачи v 2= a 2t. Так как время действия ускорения одно и то же, то v 1/ v 2= a 1/ a 2и, следовательно,
Скорости, с которыми разлетаются тела после взаимодействия, будут обратно пропорциональны массам этих тел.
Если вспомнить векторный характер скорости, то последнее соотношение можно переписать так: m 1 v 1= - m 2 v 2; знак минус говорит о том, что скорости v 1и v 2направлены в противоположные стороны.
Наконец, перепишем равенство еще раз – перенесем произведения масс на скорости в одну сторону равенства:
m1v1+ m2v2= 0
Закон сохранения импульса
Произведение массы тела на его скорость называется импульсом тела (другое название – количество движения). Так как скорость – вектор, то и импульс является векторной величиной. Разумеется, направление импульса совпадает с направлением скорости движения тела.
При помощи нового понятия закон Ньютона F= maможет быть выражен иначе. Так как a= ( v 2– v 1)/ t,
Вернемся к явлению отдачи.
Наш результат рассмотрения отдачи орудия можно теперь сформулировать короче: сумма импульсов орудия и снаряда после выстрела остается равной нулю. Очевидно, такой же она была и до выстрела, когда орудие и снаряд находились в состоянии покоя.
Скорости, входящие в уравнение m 1 v 1+ m 2 v 2= 0, – это скорости непосредственно после выстрела. При дальнейшем движении снаряда и орудия на них начнут действовать силы тяжести, сопротивление воздуха, а на пушку дополнительно – и сила трения о землю. Вот если бы выстрел был произведен в безвоздушном пространстве из орудия, висящего в пустоте, тогда движение со скоростями v 1и v 2продолжалось бы сколь угодно долго. Орудие двигалось бы в одну сторону, а снаряд – в противоположную.
В артиллерийской практике в настоящее время широко применяются орудия, установленные на платформе и стреляющие на ходу. Как же изменить выведенное уравнение, чтобы оно было применимо к выстрелу из такого орудия? Мы можем записать:
m1u1+ m2u2= 0,
где u 1и u 2– скорости снаряда и орудия по отношению к движущейся платформе. Если скорость платформы V, то скорости орудия и снаряда по отношению к покоящемуся наблюдателю будут v 1= u 1+ Vи v 2= u 2+ V.
Подставляя значения u 1и u 2в последнее уравнение, получим:
( m 1+ m 2) V= m 1 v 1+ m 2 v 2.
В правой части равенства у нас стоит сумма импульсов снаряда и орудия после выстрела. А в левой? До выстрела орудие и снаряд с общей массой m 1+ m 2движутся вместе со скоростью V. Значит, и в левой части равенства стоит общий импульс снаряда и орудия, но до выстрела.
Мы доказали очень важный закон природы, который называется законом сохранения импульса. Доказали мы его для двух тел, но можно легко показать, что такой же результат имеет место и для любого числа тел. Каково же содержание закона? Закон сохранения импульса говорит, что сумма импульсов нескольких тел, находящихся во взаимодействии, не меняется в результате этого взаимодействия.
Ясно, что закон сохранения импульса будет справедлив лишь тогда, когда на ту группу тел, которую мы рассматриваем, не действуют силы со стороны. Такая группа тел называется в физике замкнутой.