Physik

Impuls in der Physik: Newtons Bewegungsgesetze, Kollisionen und mehr

Impuls in der Physik: Newtons Bewegungsgesetze, Kollisionen und mehr

Momentum ist ein Begriff, der in der Physik verwendet wird, um die Bewegungsgröße eines sich bewegenden Körpers zu beschreiben, gemessen als Produkt seiner Masse und Geschwindigkeit.

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Sich bewegende Objekte haben Schwung. Dies ist die Tendenz des Objekts, sich in die gleiche Richtung zu bewegen, sofern nicht eine äußere Kraft auf sie einwirkt. Der Impuls ist das Produkt der Masse eines Körpers und seiner Geschwindigkeit. Da es sowohl Größe als auch Richtung hat, ist der Impuls eine Vektorgröße.

Das bedeutet, dass der Impuls sowohl Größe als auch Richtung hat. Die Gleichung für den Impuls ist unten angegeben.

In dieser Gleichung:

p ist Schwung
m ist Masse
v ist die Geschwindigkeit

Der Impuls hängt jedoch nicht nur von der Masse und Geschwindigkeit des Objekts ab. Da Geschwindigkeit Geschwindigkeit in einer bestimmten Richtung ist, hängt der Impuls eines Objekts auch von der Fahrtrichtung ab. Dies bedeutet, dass sich der Impuls eines Objekts ändern kann, wenn das Objekt schneller oder langsamer wird. oder wenn es die Richtung ändert.

Dies bedeutet, dass wir den Impuls auf zwei Arten betrachten können, basierend auf der Bewegung des Objekts.

1. Linearer Impuls

Der lineare Impuls ist der Impuls eines Körpers, der sich in einer geraden Linie bewegt. Wenn wir die allgemeine Impulsgleichung (oben) schreiben, verwenden wir die Gleichung für den linearen Impuls.

2. Drehimpuls

Drehimpuls ist der Impuls eines Körpers, der sich in einem Winkel bewegt. In diesem Fall ist die Masse des Körpers gleich, wir ersetzen jedoch die Geschwindigkeit durch die Winkelgeschwindigkeit.

Dies führt zu einer Änderung der Gleichung. Drehimpuls entsteht auch, wenn sich ein Objekt um seine Achse dreht. Zum Beispiel besitzt ein Kreisel einen Drehimpuls, wenn er sich um seine eigene Achse dreht, auch wenn er sich nicht von der Stelle bewegt.

Die Gleichung für den Drehimpuls lautet wie folgt:

In dieser Gleichung:

L. ist Drehimpuls
m ist Masse
v ist Geschwindigkeit
r ist Radius

Wir haben bereits diskutiert, dass der Impuls von Masse und Geschwindigkeit abhängt. Wenn einer dieser beiden Werte Null ist, ist auch der Impuls Null.

Es gibt jedoch eine Ausnahme - Licht. Licht hat keine Masse, aber es trägt Schwung. Wir sehen keine Dinge umfallen, wenn Licht auf sie scheint, weil der Lichtimpuls sehr klein ist, aber messbar. Tatsächlich ist für Photonen (die kleinsten Lichtbits) die EnergieE. und Schwungp sind durch die Gleichung verbunden:

Wo:

E. ist Energie
P. ist Schwung
c ist die Lichtgeschwindigkeit

Der Lichtimpuls ist so gering, dass wir ihn im Alltag nicht bemerken. Aber es ist groß genug, um messbar zu sein, und kann sogar verwendet werden. Beispielsweise nutzen Laserkühlmaschinen den Lichtimpuls von a, um Atome in einer Probe zu verlangsamen und dadurch zu kühlen. In optischen Fallen wird der Impuls des Lichts verwendet, um kleine Objekte einzufangen und zu manipulieren.

Wie hängt also das Trägheitsmoment, der Widerstand eines rotierenden Körpers gegen Drehimpuls, mit dem Impuls zusammen? Ist es dasselbe wie Momentum oder ist es etwas ganz anderes?

Trägheit ist der Widerstand eines Objekts gegen eine Bewegungsänderung. Nach dem ersten Newtonschen Gesetz bleibt ein Körper in einer geraden Linie in Ruhe oder in gleichmäßiger Bewegung, es sei denn, eine äußere Kraft wirkt auf ihn ein. Trägheit ist eine skalare Größe, dh sie hat nur die Größe, nicht die Richtung.

Das Trägheitsmoment eines Körpers ist die Tendenz eines Objekts, einer Winkelbeschleunigung zu widerstehen. Dies ist die Summe der Produkte der Masse jedes Partikels im Körper mit dem Quadrat seines Abstands von der Rotationsachse.

Momentum spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung von Newtons zweitem und drittem Bewegungsgesetz.

Newtons zweites Gesetzgibt an, dass die Beschleunigung eines Objekts, wie sie durch eine Nettokraft erzeugt wird, direkt proportional zur Größe der Nettokraft in derselben Richtung wie die Nettokraft und umgekehrt proportional zur Masse des Objekts ist.

Eine andere Möglichkeit, dies zu sagen, besteht darin, dass die Änderungsrate des Impulses in einem Objekt direkt proportional zur ausgeübten Kraft ist und die Änderung des Impulses in Richtung der ausgeübten Kraft erfolgt.

Newtons drittes Gesetzgibt an, dass für eine Kraft, die von einem Objekt A auf Objekt B ausgeübt wird, Objekt B eine gleiche Kraft in der Größe ausübt, jedoch in entgegengesetzter Richtung. Diese Idee wurde von Newton verwendet, um das Gesetz der Impulserhaltung abzuleiten. Es wird oft gesagt als: Für jede Handlung gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion.

Das Gesetz der Impulserhaltung besagt, dass, wenn zwei Objekte miteinander kollidieren, der kombinierte Impuls der Objekte vor der Kollision gleich dem kombinierten Impuls der beiden Objekte nach der Kollision ist.

Mit anderen Worten, der Impuls eines isolierten Systems bleibt immer gleich. Der kombinierte Impuls bleibt gleich, da der von Objekt A verlorene Impuls von Objekt B gewonnen wird.

Sie könnten überrascht sein, als wir sagten, dass der von einem Objekt A verlorene Impuls von Objekt B gewonnen wird. Wir sehen das nicht im wirklichen Leben!

Das liegt daran, dass es zwei Arten von Kollisionen gibt.

Elastische Kollision: Elastische Kollision ist die Art der Kollision, bei der die beiden Objekte kollidieren und eine Energieübertragung von einem Objekt auf ein anderes stattfindet, jedoch kein Nettoverlust an kinetischer Energie. Zum Beispiel bewegen sich zwei ähnliche Bälle mit gleicher Geschwindigkeit aufeinander zu. Sie kollidieren und prallen ohne Geschwindigkeitsverlust voneinander ab. Diese Kollision ist ein Idealfall, da keine Energie verloren gegangen ist.

Eine perfekt elastische Kollision ist im Alltag nicht möglich, da andere Kräfte im Spiel sind, die dazu führen, dass Energie durch Reibung, Wärme usw. verloren geht. Es gibt einige Beispiele für Kollisionen in der Mechanik, bei denen der Energieverlust sehr gering ist und sein kann als elastisch angesehen, obwohl sie nicht perfekt elastisch sind.

Unelastische Kollision: Bei einer unelastischen Kollision wird ein Teil der kinetischen Energie in eine andere Energieform wie Wärme oder Schall umgewandelt. Anstatt zurückzuspringen, neigt das Objekt dazu, zusammenzuhalten. Bei unelastischen Kollisionen bleibt der Impuls erhalten.

Die Kollisionen, die wir in unserem täglichen Leben sehen, liegen zwischen elastischen und unelastischen Kollisionen.

Der Impuls ist eine wichtige Überlegung in der Physik, da er die Beziehung zwischen Geschwindigkeit, Masse und Richtung beschreibt.

Momentum beschreibt die Kraft, die benötigt wird, um Objekte anzuhalten und in Bewegung zu halten. Beispielsweise wird erklärt, dass Sie im Vergleich zu einem Objekt mit geringerem Impuls mehr Kraft aufwenden müssen, um ein Objekt mit größerem Impuls anzuhalten. Daher ist der Impuls ein wichtiger Faktor, der berücksichtigt werden muss, wenn Systeme zum Entwerfen eines sich bewegenden Objekts entworfen werden.

Ein scheinbar kleines Objekt kann eine große Kraft ausüben, wenn es genügend Schwung hat. Eines der besten Beispiele für dieses Phänomen ist eine Kugel. Das Momentum kann auch verwendet werden, um die resultierende Richtung und Bewegungsgeschwindigkeit von Objekten nach deren Kollision vorherzusagen.

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