Momentum in de natuurkunde begrijpen

Jean van der Meulen / Pexels

Momentum is een afgeleide grootheid, berekend door de massa te vermenigvuldigen, m (een scalaire grootheid), maal snelheid, in (een vectorgrootheid). Dit betekent dat het momentum een ​​richting heeft en die richting is altijd dezelfde richting als de snelheid van de beweging van een object. De variabele die wordt gebruikt om momentum weer te geven is p . De vergelijking om het momentum te berekenen wordt hieronder weergegeven.

Vergelijking voor momentum

p = mv

De SI eenheden van momentum zijn kilogram maal meter per seconde, of kg * m / s .

Vectorcomponenten en momentum

Als vectorgrootheid kan momentum worden opgesplitst in componentvectoren. Wanneer u naar een situatie kijkt op een driedimensionaal coördinatenraster met richtingen gelabeld x , Y , en Met. U kunt bijvoorbeeld praten over de component van momentum die in elk van deze drie richtingen gaat:

p_x = mv_x
p_Y = mv_Y
p_Met = mv_Met

Deze componentvectoren kunnen vervolgens samen worden gereconstitueerd met behulp van de technieken van vector wiskunde , die een basiskennis van trigonometrie omvat. Zonder in te gaan op de trig-specificaties, worden de basisvectorvergelijkingen hieronder weergegeven:

p = p_x + p_Y + p_Met = mv_x + mv_Y + mv_Met

Behoud van Impuls

Een van de belangrijke eigenschappen van momentum en de reden waarom het zo belangrijk is in natuurkunde, is dat het een geconserveerd hoeveelheid. Het totale momentum van een systeem zal altijd hetzelfde blijven, ongeacht welke veranderingen het systeem doormaakt (zolang er geen nieuwe momentumdragende objecten worden geïntroduceerd).

De reden dat dit zo belangrijk is, is dat natuurkundigen het systeem voor en na de systeemverandering kunnen meten en er conclusies over kunnen trekken zonder dat ze elk specifiek detail van de botsing zelf hoeven te kennen.

Beschouw een klassiek voorbeeld van twee biljartballen die tegen elkaar botsen. Dit type botsing heet een Elastische botsing . Je zou kunnen denken dat een natuurkundige om erachter te komen wat er na de botsing gaat gebeuren, de specifieke gebeurtenissen die tijdens de botsing plaatsvinden, nauwkeurig moet bestuderen. Dit is eigenlijk niet het geval. In plaats daarvan kun je het momentum van de twee ballen vóór de botsing berekenen ( p _1ien p _2i, waar de i staat voor 'initiële'). De som hiervan is het totale momentum van het systeem (laten we het noemen) p _T, waarbij 'T' staat voor 'totaal) en na de botsing - het totale momentum zal hieraan gelijk zijn, en vice versa. Het moment van de twee ballen na de botsing is p _1fen p _1f, waar de f staat voor 'final'. Dit resulteert in de vergelijking:

p _T= p _1i+ p _2i= p _1f+ p _1f

Als je enkele van deze momentumvectoren kent, kun je die gebruiken om de ontbrekende waarden te berekenen en de situatie te construeren. In een eenvoudig voorbeeld, als u weet dat bal 1 in rust was ( p _1i= 0) en je meet de snelheden van de ballen na de botsing en gebruik dat om hun momentumvectoren te berekenen, p _1fen p _2f, kunt u deze drie waarden gebruiken om precies het momentum te bepalen p _2imoet zijn geweest. Je kunt dit ook gebruiken om de snelheid van de tweede bal voorafgaand aan de botsing te bepalen sinds p / m = in .

Een ander type botsing wordt an . genoemd inelastische botsing , en deze worden gekenmerkt door het feit dat tijdens de botsing kinetische energie verloren gaat (meestal in de vorm van warmte en geluid). Bij deze botsingen echter, momentum is behouden, dus het totale momentum na de botsing is gelijk aan het totale momentum, net als bij een elastische botsing:

p _T= p _1i+ p _2i= p _1f+ p _1f

Als de botsing ertoe leidt dat de twee objecten aan elkaar 'kleven', wordt dit a . genoemd perfect inelastische botsing , omdat de maximale hoeveelheid kinetische energie verloren is gegaan. Een klassiek voorbeeld hiervan is het afvuren van een kogel in een blok hout. De kogel stopt in het hout en de twee objecten die bewogen worden nu één object. De resulterende vergelijking is:

m ₁ in _1i+ m_tweein _2i= ( m ₁+ m _twee) in _f

Net als bij de eerdere botsingen, kun je met deze aangepaste vergelijking sommige van deze grootheden gebruiken om de andere te berekenen. Je kunt daarom op het blok hout schieten, de snelheid meten waarmee het beweegt tijdens het schieten en vervolgens het momentum (en dus de snelheid) berekenen waarmee de kogel bewoog vóór de botsing.

Momentumfysica en de tweede bewegingswet

De tweede bewegingswet van Newton vertelt ons dat de som van alle krachten (we noemen dit F _som, hoewel de gebruikelijke notatie betrekking heeft op de Griekse letter sigma) die op een object inwerkt, is gelijk aan de massatijden versnelling van het voorwerp. Versnelling is de snelheid waarmee de snelheid verandert. Dit is de afgeleide van snelheid ten opzichte van tijd, of dv / dt , in calculustermen. Met behulp van wat basisberekening krijgen we:

F _som= en = m * dv / dt = d ( mv )/ dt = dp / dt

Met andere woorden, de som van de krachten die op een object inwerken, is de afgeleide van het momentum ten opzichte van de tijd. Samen met de eerder beschreven behoudswetten vormt dit een krachtig hulpmiddel voor het berekenen van de krachten die op een systeem inwerken.

In feite kun je de bovenstaande vergelijking gebruiken om de eerder besproken behoudswetten af ​​te leiden. In een gesloten systeem zijn de totale krachten die op het systeem werken nul ( F _som= 0), en dat betekent dat dP_som / dt = 0. Met andere woorden, het totaal van alle momentum binnen het systeem zal niet veranderen in de tijd, wat betekent dat het totale momentum P _som moeten constant blijven. Dat is het behoud van momentum!