Замкнутая и не замкнутая системы.

Замкнутая и не замкнутая системы.

В замкнутой системе нет взаимодействия с окружением. В незамкнутой - есть.
Изолированная система (замкнутая cистема) — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. В термодинамике постулируется (как результат обобщения опыта), что изолированная система постепенно приходит в состояние термодинамического равновесия, из которого самопроизвольно выйти не может (нулевое начало термодинамики).

Система называется замкнутой (изолированной¹), если ее компоненты не взаимодействуют с внешними сущностями, а также отсутствуют потоки вещества, энергии и информации из системы или в нее.

Примером физической замкнутой системы может служить горячая вода и пар в термосе. В замкнутой системе количество вещества и энергии остается неизменным. Количество же информации может изменяться как в сторону уменьшения, так и увеличения – в этом просматривается еще одна особенность информации как исходной категории мироздания. Замкнутая система является некоторой идеализацией (модельным представлением), поскольку полностью изолировать какую-то совокупность компонентов от внешних воздействий невозможно.

Построив отрицание приведенному выше определению, мы получим определение системы незамкнутой. Для нее должно быть выделено множество внешних воздействий {E}, оказывающих влияние (т.е. приводящих к изменениям) на {A}, {R} и {P}. Следовательно, незамкнутость системы всегда связана с протеканием процессов в ней. Внешние воздействия могут осуществляться в форме каких-то силовых действий либо в форме потоков вещества, энергии или информации, которые могут поступать в систему или выходить из нее. Примером незамкнутой системы является какое-либо учреждение или предприятие, которые не могут существовать без материальных, энергетических и информационных поступлений. Очевидно, исследование незамкнутой системы должно включать изучение и описание влияния на нее внешних факторов, а при создании системы должна предусматриваться возможность появления этих факторов.

Закон сохранения импульса

Закон сохранения импульса формулируется так:

если сумма внешних сил, действующих на тела системы, равна нулю, то импульс системы сохраняется.

Тела могут только обмениваться импульсами, суммарное же значение импульса не изменяется. Надо только помнить, что сохраняется векторная сумма импульсов, а не сумма их модулей.

Зако́н сохране́ния и́мпульса (Зако́н сохране́ния количества движения) утверждает, что векторная сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная.

В классической механике закон сохранения импульса обычно выводится как следствие законов Ньютона. Из законов Ньютона можно показать, что при движении в пустом пространстве импульс сохраняется во времени, а при наличии взаимодействия скорость его изменения определяется суммой приложенных сил.

Как и любой из фундаментальных законов сохранения, закон сохранения импульса описывает одну из фундаментальных симметрий, — однородность пространства.

При взаимодействии тел импульс одного тела может частично или полностью передаваться другому телу. Если на систему тел не действуют внешние силы со стороны других тел, то такая система называется замкнутой.

В замкнутой системе векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.

Этот фундаментальный закон природы называется законом сохранения импульса. Он является следствием из второго и третьего законов Ньютона.

Рассмотрим какие-либо два взаимодействующих тела, входящих в состав замкнутой системы.

Силы взаимодействия между этими телами обозначим через и По третьему закону Ньютона Если эти тела взаимодействуют в течение времени t, то импульсы сил взаимодействия одинаковы по модулю и направлены в противоположные стороны: Применим к этим телам второй закон Ньютона:

где и– импульсы тел в начальный момент времени, и – импульсы тел в конце взаимодействия. Из этих соотношений следует:

Это равенство означает, что в результате взаимодействия двух тел их суммарный импульс не изменился. Рассматривая теперь всевозможные парные взаимодействия тел, входящих в замкнутую систему, можно сделать вывод, что внутренние силы замкнутой системы не могут изменить ее суммарный импульс, т. е. векторную сумму импульсов всех тел, входящих в эту систему.

Рис.1

 

При указанных допущениях законы сохранения имеют вид

(1)
(2)
Произведя соответствующие преобразования в выражениях (1) и (2), получим
(3)
(4)
откуда
(5)
Решая уравнения (3) и (5), находим
(6)
(7)
Разберем несколько примеров.

1. При ν₂ =0
(8)
(9)

 

Проанализируем выражения (8) в (9) для двух шаров различных масс:

а) m₁=m₂. Если второй шар до удара висел неподвижно (ν₂ =0) (рис. 2), то после удара остановится первый шар (ν₁' =0), а второй будет двигаться с той же скоростью и в том же направлении, в котором двигался первый шар до удара (ν₂' = ν₁);

 

Рис.2

 

б) m₁>m₂. Первый шар продолжает двигаться в том же направлении, как и до удара, но с меньшей скоростью (ν₁' < ν₁). Скорость второго шара после удара больше, чем скорость первого после удара (ν₂' > ν₁') (рис. 3);

 

Рис.3

 

в) m₁<m₂. При ударе направление движения первого шара изменяется - шар отскакивает обратно. При этом второй шар движется в сторону, в которую двигался первый шар до удара, но с меньшей скоростью, т. е. ν₂' < ν₁ (рис. 4);

 

Рис.4

 

г) m₂>>m₁ (например, столкновение шара со стеной). Из уравнений (8) и (9) следует, что ν₁' = - ν₁; ν₂' ≈ 2m₁ ν₂' /m₂.

2. При m₁=m₂ выражения (6) и (7) будут иметь вид ν₁' = ν₂; ν₂' = ν₁; т. е. шары равной массы как бы обмениваются скоростями.

Абсолютно неупругий удар - соударение двух тел, в результате которого тела соединяются, двигаясь дальше как единое целое. Абсолютно неупругий удар можно продемонстрировать с помощью шаров из пластилина (глины), которые движутся навстречу друг другу (рис. 5).

Рис.5

Если массы шаров m₁ и m₂, их скорости до удара ν₁ и ν₂, то, используя закон сохранения импульса

где v - скорость движения шаров после удара. Тогда
(15.10)
В случае движения шаров навстречу друг другу они вместе будут продолжать движение в ту сторону, в которую двигался шар с большим импульсом. В частном случае, если массы шаров равны (m₁=m₂), то

Определим, как изменяется кинетическая энергия шаров при центральном абсолютно неупругом ударе. Так как в процессе соударения шаров между ними действуют силы, зависящие от их скоростей, а не от самих деформаций, то мы имеем дело с дисипативными силами, подобным силам трения, поэтому закон сохранения механической энергии в этом случае не должен соблюдаться. Вследствие деформации происходит уменьшение кинетической энергии, которая переходит в тепловую или другие формы энергии. Это уменьшение можно определить по разности кинетической энергии тел до и после удара:

Используя (10), получаем

Если ударяемое тело было первоначально неподвижно (ν₂=0), то

и

Когда m₂>>m₁ (масса неподвижного тела очень велика), то ν<<ν₁ и практически вся кинетическая энергия тела переходит при ударе в другие формы энергии. Поэтому, например, для получения значительной деформации наковальня должна быть значительно массивнее молота. Наоборот, при забивании гвоздей в стену масса молота должна быть гораздо большей (m₁>>m₂), тогда ν≈ν₁ и почти вся энергия тратится на возможно большее перемещение гвоздя, а не на остаточную деформацию стены.
Абсолютно неупругий удар - это пример потери механической энергии под действием диссипативных сил.

Замкнутая и не замкнутая системы.

В замкнутой системе нет взаимодействия с окружением. В незамкнутой - есть.
Изолированная система (замкнутая cистема) — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. В термодинамике постулируется (как результат обобщения опыта), что изолированная система постепенно приходит в состояние термодинамического равновесия, из которого самопроизвольно выйти не может (нулевое начало термодинамики).

Система называется замкнутой (изолированной¹), если ее компоненты не взаимодействуют с внешними сущностями, а также отсутствуют потоки вещества, энергии и информации из системы или в нее.

Примером физической замкнутой системы может служить горячая вода и пар в термосе. В замкнутой системе количество вещества и энергии остается неизменным. Количество же информации может изменяться как в сторону уменьшения, так и увеличения – в этом просматривается еще одна особенность информации как исходной категории мироздания. Замкнутая система является некоторой идеализацией (модельным представлением), поскольку полностью изолировать какую-то совокупность компонентов от внешних воздействий невозможно.

Построив отрицание приведенному выше определению, мы получим определение системы незамкнутой. Для нее должно быть выделено множество внешних воздействий {E}, оказывающих влияние (т.е. приводящих к изменениям) на {A}, {R} и {P}. Следовательно, незамкнутость системы всегда связана с протеканием процессов в ней. Внешние воздействия могут осуществляться в форме каких-то силовых действий либо в форме потоков вещества, энергии или информации, которые могут поступать в систему или выходить из нее. Примером незамкнутой системы является какое-либо учреждение или предприятие, которые не могут существовать без материальных, энергетических и информационных поступлений. Очевидно, исследование незамкнутой системы должно включать изучение и описание влияния на нее внешних факторов, а при создании системы должна предусматриваться возможность появления этих факторов.