Столкновения двух тел и задачи, сводящиеся к ним.

Закон сохранения импульса и движение системы центра масс. Рассмотрим систему N тел. Написав для каждого тела можно уравнение движения, получим систему N связанных уравнений:

О принятых обозначениях в уравнения системы. Силы с двумя индексами являются внутренними силами, то есть это силы взаимодействия между телами системы. Первый индекс это номер тела, на которое действует сила, второй индекс – со стороны какого тела действует сила. Силы с одним индексом являются внешними. Они действуют со стороны тел, не входящих в систему. В частности это силы возникают, если тело системы находится поле, которое мы считаем внешним. Например, гравитационные силы между Луной и Землей при рассмотрении системы этих двух тел являются внутренними, а силы, действующие на них возникающие из-за наличия гравитационного поля Солнца, являются внешними. Индекс у вешних сил – номер тела, на которой ока действует (эта сила – векторная сумма всех сил, приложенных к телу, если на тело действует несколько сил).

Сложим все уравнения, учтя при этом, что все силы, действующие между телами системы, при суммировании дадут нуль. Это следует из 3-го закона Ньютона: . Силы в системе уравнений с одним индексом  – внешние силы, то есть силы, возникающие при взаимодействии тел рассматриваемой системы тел с телами, не входящие в эту систему. Причем, например, под  надо понимать сумму всех внешних сил, действующих на тело . В результате сложения получим:

,

 

Таким образом, производная по времени от суммарного импульса всей системе равна сумме всех внешних сил. Если система замкнутая, то внешних сил нет. В таком случае производная равна нулю, а сам суммарный импульс всех тел или импульс системы является постоянной величиной. Это утверждение и носит название закона сохранения импульса. Векторное равенство можно написать в виде трех равенств  (проекций на оси координат):

    

Если в каком либо равенстве отсутствуют силы или их сумма равна нулю, то будет сохраняться эта проекция импульса системы тел.

 

  Система центра масс. При решении многих задач механики описание движения частиц целесообразно переходить в так называемую систему центра масс. Особенно упрощаются решения задач для замкнутых систем. Выше, было показано, что для таких систем имеет место закон сохранения суммарного импульса системы:

      

Очевидно, что «лучшая» константа нуль. Проще ничего не придумаешь. Пусть выше приведенное равенство написано для лабораторной системы координат, то есть для той, в которой находимся и мы с вами. И в этой системе суммарный импульс не равен нулю. Найдем систему координат, которая каким-то образом будет двигаться относительно нас с постоянной скоростью , и в которой суммарный импульс станет равным нулю. Эта система и называется системой центра масс (С-система). Обозначим скорости частиц в ней , для скоростей в лабораторной системе. Согласно преобразованиям Галилея имеем связь между ними:

                 

По определению импульс в С-системе равен:

                   

Комбинируя, получим:

Приравняв полученное соотношение нулю, получим скорость С-системы:

                

Скорости частиц в С – системе находятся из выражения:

                     

Ниже мы будем рассматривать столкновения двух частиц. Поэтому выпишем необходимые формулы для этого частного случая:

         

     

     

Стоит обратить внимание, что последнее выражение можно было не выводить, а просто поменять индексы 1 на 2 и 2 на 1, так как задача симметрична по ним. Если скорости частиц умножить на соответствующие, то получим их импульсы в системе центра масс:

                         

                

Как и должно быть импульсы равны по модулю и противоположны по направлению, то есть суммарный импульс равен нулю. Величина μ называется приведенной массой двух частиц.

 

Движение центра масс системы. Если продифференцировать скорость центра масс по времени, получим:

        

Замечания к полученному результату. В числителе стоят только внешние силы (внутренние при сложении дали нуль). Из последнего выражения следует, что при отсутствии внешних сил ускорение центра масс равно нулю или, иначе, скорость центра масс замкнутой системы сохраняется. Это утверждение полезно запомнить в виде:

, где

Только не называйте произведение массу всех тел системы на скорость центра масс импульсом системы!

Если сумма внешних сил не равна нулю, то уравнение движения для центра масс системы имеет такой же вид, как и второй закон Ньютона для тела:

       

Координата центра масс системы находится из выражения:

    

Если последнее выражение продифференцировать по времени, то, естественно, мы получим скорость центра масс системы.

 

  Виды столкновений.

Далее мы ограничимся рассмотрением столкновений двух частиц (то есть точечных масс или материальны точек, что все одно и то же). Однако полученные формулы могут быть использованы для описания

взаимодействия макроскопических твердых тел. Ниже будут приведены примеры таких задач. Столкновения можно подразделить на типы:

1. Абсолютно упругое столкновение. При таком столкновении сохраняется не только суммарный импульс, но и суммарная кинетическая энергия частиц.

2. Абсолютно неупругое столкновение. Суммарный импульс сохраняется при любом столкновении. Механическая энергия не сохраняется. При таком столкновении частицы «слипаются» и продолжают двигаться как единое целое. Только не надо думать, что частицы стали представлять собой единое тело, термин применен для лучшего запоминания.

3. Реальное столкновение. Первый вид столкновения является некоторым приближением. При реальных столкновениях практически всегда механическая энергия изменяется. Причем она не всегда уменьшается, переходя в другие формы энергии. Бывают столкновения, при которых внутренняя энергия какой либо частицы переходит в кинетическую энергию движения частиц. Но с этим вы познакомитесь только в пятом семестре. Когда изменением энергии можно пренебречь, мы и имеем первый вид столкновения.

 

Центральное столкновение двух частиц.

Прежде всего, определимся, что понимается под названием центральное столкновение. Ниже под этим определением понимается такое столкновение, когда в С-системе частицы двигаются по одной прямой навстречу друг другу и после столкновения импульсы частиц направлены по той же прямой.В лабораторной системе частицы могут двигаться под углом, но так, чтобы они столкнулись. И второе важное замечание. Не надо под столкновением частиц понимать непосредственное их столкновение, за исключением случая, когда образуется одна частица из двух. Например, заряженные частицы одноименным зарядом, летящие навстречу, после сближения до определенного расстояния начинают разлетаться. При взаимодействиях на расстоянии под начальными и конечными скоростями следует понимать скорости на достаточно больших расстояниях, когда потенциальной энергией взаимодействия можно пренебречь.

Начнем с самого простого случая: абсолютно неупругого столкновения. В С-системе обе частицы с равными по модулю импульсами двигаются навстречу друг другу. После столкновения они «слипаются» и могут двигаться как единое целое, то есть с одной и той же скоростью. Но эта скорость в С-системе должна быть равна нулю, иначе суммарный импульс не сохраниться. До столкновения он был равен нулю по определению С-системы. Следовательно, в лабораторной системе отсчета образовавшаяся частица массой  будет двигаться со скоростью системы центра масс:

.

Найдем убыль суммарной кинетической энергии при таком столкновении:

После тривиальных алгебраических преобразований получим:

      

Таким образом, в системе полная кинетическая энергия уменьшается на величину пропорциональной приведенной массе частиц и квадрату их относительной скорости. Какую скорость в скобках писать на первом месте безразлично, так как выражение возводится в квадрат. В частном случае движения частиц по одной прямой в лабораторной системе в скобках будет стоять сумма модулей скоростей, если частицы двигаются навстречу, и их разность, если одна частица догоняет другую.

Абсолютно упругое столкновение. Воспользуемся формулами полученными выше. Для удобства выпишем формулы для импульсов частиц до столкновения:

, .

Начальные скорости до столкновения в лабораторной системе и массы частиц естественно заданы. Так как сохраняется суммарный импульс (равный нулю), то после столкновения импульсы будут равны по модулю и

противоположны по направлению. А так как сохраняется и суммарная кинетическая энергия, то модули импульсов останутся такими же. Поясним это:

, ,

Штрихом помечены величины после столкновения.

Следовательно, импульсы частиц после столкновения просто будут противоположны по знаку импульсам частиц до столкновения. Найдем скорость первой частицы после столкновения: в С-системе:

Чтобы получить искомую скорость после столкновения в лабораторной, то есть в исходной системе отсчета, надо к последнему выражению добавить скорость центра масс:

    

Чтобы получить скорость второй частицы, надо поменять индексы в (49):

           

 Всегда полезно посмотреть предельные случаи, ответ на которые вы знаете. Из школьного курса известно, что при столкновении первой частицы с покоящейся такой же по массе частицей, они обмениваются скоростями. Если при выводе не сделаны глупые ошибки, то из полученных формул должен следовать такой же ответ. Подставляя и , получим:  и . Если 1 – груженый самосвал, 2 – раззява, то получим (при , ): , что вполне согласуется со здравым смыслом.

Реальное столкновение. Закон сохранения полной энергии в системе центра масс:

Из которого находим связь между модулями импульсов  частиц до и после столкновения:

        

Если происходит потеря энергии, то естественно, что величина импульса уменьшается. Для лучшего понимания происходящего процесс показан на рисунке.

Соотношение между векторами импульсов частиц после столкновения имеет вид:

где n – единичный вектор, направленный по направлению скорости первой частицы в С-системе до столкновения. Нахождение скоростей частиц после столкновения аналогично их выводу для абсолютно упругого столкновения. Убыль энергии не зависит от системы отсчета.

 

Задача 1. Начнем с простенького дополнительного вопроса на экзамене. С известной высоты маленькая шайба соскальзывает на горизонтальный брусок известной длины. Между бруском и горизонтальной поверхностью трения нет, между бруском и шайбой – есть. Шайба останавливается на средине бруска. И так, известны две величины:  и . Надо определить скорость системы, кода прекратится движение шайбы относительно бруска.

И этот вопрос вызывал трудность, как выяснилось, из-за того, что пытались куда-то «пристроить» условие, что шайба остановилась на его середине. Подвела школьная привычка – все заданные величины нужны для решения задачи. Надо отвыкать от этого. В реальных экспериментах надо фиксировать как можно больше параметров. Это не займет много времени. Затем при обсчете, лишние просто не будете использовать. А вот, если выяснится, что чего-то нахватает, то весь опыт придется повторять вновь.

Решение пишется сразу, так как эта задача, по сути, абсолютно неупругое столкновение:

в котором - скорость шайбы, с которой она въехала на брусок,  - ее масса,  - масса бруска.

На рисунке изображено положение в момент, когда шайба въехала на брусок, и в момент, когда их скорости сравнялись. Расширим рассмотрение примера – определим расстояние , на котором шайба перестала скользить по бруску.

Решим, используя законы Ньютона:

                      

Из последней системы находим время, когда скорости тел сравняются:

Расстояние, которое пройдет брусок, равно:

       

Коэффициент трения можно найти, используя условие, что шайба остановилась на средине бруска. Для этого найдем пройденный путь шайбы за время :

     

Приравняв разность пройденных путей , находим коэффициент трения:

Находим требуемый ответ, подставляя полученный коэффициент трения:

            

А теперь решим эту же задачу, используя законы сохранения. Начнем с определения коэффициента трения. Из равенства работы силы трения убыли полной энергии системы, следует:

Начинаете, как говориться, «чувствовать разницу»? Приравнивая работу силы трения, совершенную над бруском, полученную им кинетическую энергию, находим его путь:

Как видите, второе решение несравнимо проще первого. Совет: всегда подумайте, можно ли решить задачу, используя законы сохранения, или использовать их для нахождения промежуточных величин.

Задача 2. Маленькая шарик массы  с начальной скоростью  влетает в отверстие канала движущегося со скоростью  тела массы . Скорость шарика достаточна, чтобы вылететь из канала. Отверстия каналов

находятся на расстоянии . Трение отсутствует везде. Определить скорости тел после вылета шарика (см. рис.).

Решение задачи сводится к реальному столкновению двух тел. Убыль кинетической энергии в рассматриваемом случае равна:

              

В системе центра масс, движущейся со скоростью:

импульсы тел равны:

        

Квадраты импульсов обоих тел равны:

Находим скорости тел в лабораторной системе координат:

                

Обязательно надо проверить ответ, сводя полученные формулы к известным задачам. Если убыль энергии положить равной нулю, то последние формулы переходят в выше полученные формулы для абсолютно упругого столкновения:

Предположим, что шарик при вылете фактически не имел скорости, то есть , а начальная скорость тела  была равна нулю. Тогда  будем иметь:

 

Из первого найдем скорость влета шарика:

А теперь решим эту задачу, предположив сразу, что тело  покоилось

               

Исключая скорость , находим :

Таким образом, мы еще раз проверили решение. Если исключить , то легко найти . Сделайте это сами и сравните с тем, что получается из решения:

,

если в него подставить полученное .

 

Задача 3. Еще одна задачка на столкновение двух тел. На рисунке показаны известные величины до столкновения (слева) после столкновения (справа) в первом и во втором опытах. Вопросительными знаками – величины, которые надо определить. Массы тел не равны!

Маленькое отступление. Физику дали задание вскипятить чайник. Начальные условия. Пустой чайник на плите. Его действия. Налил воду, поставил на плиту, включил, дождался кипения, выключил, доложил, что задача выполнена. Ту же задачу поставили математику, но с начальными условиями: чайник с водой на плите. Его действия: вылил воду, поставил на плиту, доложил, что задача решена, так как он свел ее к известной.

Но метод сведения задачи к известной заслуживает того, чтобы его разобрать, а анекдот – для лучшего его запоминания. Выше сформулированная задача решается проще всего именно этим методом.

Начнем решать. Скорость находится из закона сохранения импульса:

Далее перейдем в систему координат, движущуюся влево со скоростью . В этой системе задача переходит в предыдущую, решение которой мы знаем. Осталось вернуться в исходную систему:

Ответы написаны в проекциях на ось, направленную слева направо. Обратите внимание, что при равенстве масс тел они переходят в формулы, описывающие абсолютно упругое столкновение, при котором происходит обмен скоростями.

Интересно определить соотношение масс тел, чтобы могло реализоваться такое движение. Это можно определить из закона сохранения энергии. Начальная кинетическая энергия при таком столкновении должна быть больше конечной. Напишем это условие:

Равенство отброшено по той причине, что массы тел по условии не равны.

Предыдущую задачу тоже было бы проще решать, перейдя систему, в которой тело покоится.

 

Умные шарики, не то, что некоторые эллипсы. Есть демонстрация, которую показывают на лекциях при объяснении законов сохранения. На длинных одинаковых по длине нитях подвешены в один ряд пять одинаковых шариков из упругого материала. Шарики должны быть подвешены так, чтобы между ними не было зазора. Так как идеально точно, так чтобы центры шариков находились на одной прямой, сделать не удается, то каждый шарик подвешивается на двух нитях. Затем отводят один шарик и отпускают без толчка. На рисунке показано, как двигаются шарики после столкновения (во времени).

 

Рисунок представляет собой скриншот с окна программы «Живая физика». Между прочим, вы можете практически все задачи посмотреть «живьем» в ней. Ее можно скачать с сайта www.physics-vargin.net или с www.vargin.mephi.ru . Вернемся к рисунку. Четыре шарика без стрелки вектора скорости неподвижные, пятый слева показан в самый момент столкновения. Он затем останавливается, вновь получается четыре неподвижных шарика, а крайний справа начинает двигаться со скоростью налетевшего шарика.

Если отвести вместе два шарика, то после столкновения три останутся неподвижными, а два крайних справа начнут двигаться. Как видите, шарики умные, они знают и закон сохранения импульса (точнее, закон сохранения момента импульса), и закон сохранения энергии.

 

Двойной удар. По горизонтальной поверхности движется брусок лежащая на нем шайба. На пути бруска лежит кубик. Трения между бруском и кубиком с поверхностью нет. Между шайбой и бруском есть трение. Происходит абсолютно упругое столкновение. Массы всех трех тел равны и известны. С какой относительной скоростью будет двигаться кубик и брусок с остановившейся на нем шайбой? Начальная скорость бруска с покоящейся на нем шайбой известна (см. поясняющий рисунок).

При упругом столкновении брусок и кубик «обменяются» скоростями, так как их массы равны. Лежащая на нем шайба на столкновение не повлияет. Но так как она в момент столкновения имела скорость бруска, то после столкновения она продолжит движение по остановившемуся с бруску со  скоростью . В системе центра масс бруска и шайбы они начинают «сближаться» с одинаковыми скоростями и из-за наличия трения в системе их центры масс они остановятся. В результате они будут двигаться относительно поверхности со скоростью их центра масс равной:

Таким образом, искомая относительная скорость равна:

Полезно рассмотреть в этой задаче, как выполняется закон сохранения полной энергии систему трех тел. В начальный момент энергия системы была равна:

Конечная кинетическая энергия системы, после окончания относительного движения шайбы по брусу, равна:

При движении шайбы по брусу диссипация механической энергии равна:

Таким образом, полная энергия сохраняется:

Легко проверить и сохранения импульса системы.

 

Задачи, которые надо решать в уме. Эти задачи приведены, чтобы вы могли проверить, как вы усвоили предыдущий материал.

1. Две разных по массе шайбы скреплены невесомой пружиной. Когда пружина была не деформирована, более тяжелой шайбе сообщили некоторую скорость по направлению к другой шайбе. Во втором опыте такую же скорость сообщили более легкой шайбе. Найти отношения минимальных расстояний между шайбами в процессе их движения. Все необходимые величины можете считать известными. Трения нет.

 Ответ: отношение равно единице.

2. Брус покоится на гладкой горизонтальной поверхности. Шайбе, лежащей на нем, сообщили скорость, направленную вдоль бруса. Между шайбой и брусом есть трение. На конце бруса имеется выступ, с которым шайба сталкивается. Улар считать абсолютно упругим. Известно, что шайба останавливается на конце (в том же месте, где ей сообщили скорость). Размерами шайбы и выступа пренебречь. Величины, показанные на рисунке, известны. Чему равен коэффициент трения скольжения?

Ответ пишется (чтобы не ошибиться) в таком виде: