Impulse è qualcosa di un personaggio dimenticato nella produzione della fase scientifica che è la meccanica classica. Nella scienza fisica, c'è una certa coreografia praticata in gioco in termini di regole che governano il movimento. Ciò ha dato origine alle varie leggi sulla conservazione della scienza fisica. Pensa all'impulso per ora come "la forza di vita di una data forza". (Quel linguaggio avrà presto senso !) È un concetto fondamentale per capire come ridurre attivamente la forza sperimentata da un oggetto in una collisione. In un mondo dominato da grandi oggetti che trasportano esseri umani ad alta velocità a tutte le ore, è una buona idea hanno un gran numero di ingegneri del mondo che lavorano per aiutare a rendere più sicuri i veicoli (e altre macchine in movimento) usando i principi di base della fisica. L'impulso, matematicamente, è il prodotto della forza e del tempo medi ed è equivalente a un cambiamento di quantità di moto. Qui vengono fornite le implicazioni e la derivazione del teorema impulso-quantità di moto, insieme a una serie di esempi che illustrano l'importanza di poter manipolare la componente temporale dell'equazione per cambiare il livello di forza sperimentato da una o nel sistema in questione. Le applicazioni di ingegneria vengono continuamente perfezionate e progettate in base al rapporto tra forza e tempo in un impatto. In quanto tali, i principi dell'impulso hanno avuto un ruolo in, o almeno aiutato a spiegare, molte caratteristiche di sicurezza moderne. Questi includono cinture di sicurezza e seggiolini auto, la capacità di edifici alti di "dare" leggermente con il vento, e perché un pugile o un combattente che rotola con un pugno (cioè si tuffa nella stessa direzione in cui si muove il pugno o il piede dell'avversario) sostiene meno danni di chi è rigido. L'impulso (J) è definito come il cambiamento nel momento totale p ("delta p", scritto ∆p ) di un oggetto dall'inizio stabilito di un problema (tempo t I sistemi possono avere molti oggetti in collisione alla volta , ciascuno con le proprie masse, velocità e momenti individuali. Tuttavia, questa definizione di impulso viene spesso utilizzata per calcolare la forza sperimentata da un singolo oggetto durante una collisione. Una chiave qui è che il tempo utilizzato è il tempo di collisione Ricorda che il momento di un oggetto è la sua massa volte la sua velocità. Quando un'auto rallenta, la sua massa (probabilmente) non cambia, ma cambia la sua velocità, quindi dovresti misurare qui l'impulso rigorosamente nel periodo di tempo in cui l'auto sta cambiando dalla sua velocità iniziale alla sua velocità finale. > Equazioni per impulso Riorganizzando alcune equazioni di base, si può dimostrare che per una forza costante F La maggior parte delle forze, nel bene o nel peggio, non sono costanti per la durata di un problema; una piccola forza può diventare una grande forza o al contrario. Questo cambia l'equazione in J \u003d F net∆t. Per trovare questo valore è necessario utilizzare il calcolo per integrare la forza nell'intervallo di tempo t Tutto ciò porta al teorema dell'impulso-momento: Complessivamente, impulso \u003d J \u003d ∆p \u003d m∆v \u003d F net∆t (teorema impulso-momento). Il teorema segue dalla seconda legge di Newton (più su questo sotto), che può essere scritta F net \u003d ma . Ne consegue che F net∆t \u003d ma∆t (moltiplicando ciascun lato dell'equazione per ∆t). Da questo, sostituendo a \u003d (v f - v i) /∆t, si ottiene [m (v f - v i) /∆t] ∆t. Questo si riduce a m (v f - v i), che è un cambiamento nel momento ∆p. T, la sua equazione, tuttavia, funziona solo per forze costanti (cioè quando l'accelerazione è costante per situazioni in cui la massa non cambia). Per una forza non costante, che è la maggior parte di esse nelle applicazioni di ingegneria, è necessario un integrale per valutare i suoi effetti nel lasso di tempo di interesse, ma il risultato è lo stesso del caso di forza costante anche se il percorso matematico verso questo risultato non è: Puoi immaginare un dato "tipo" di collisione che può essere ripetuto innumerevoli volte - il rallentamento di un oggetto di massa m da una data velocità nota v a zero. Ciò rappresenta una quantità fissa per oggetti con massa costante e l'esperimento potrebbe essere eseguito più volte (come nei test sugli incidenti stradali). La quantità può essere rappresentata da m∆v. Dal teorema dell'impulso-momento, sai che questa quantità è uguale a F net∆t per una data situazione fisica. Poiché il prodotto è fisso ma le variabili F net e ∆t sono libere di variare individualmente, è possibile forzare la forza a un valore inferiore trovando un modo per estendere t, in questo caso la durata dell'evento di collisione. Detto in modo leggermente diverso, l'impulso è fisso dati specifici valori di massa e velocità. Ciò significa che ogni volta che F Questa è l'essenza della fisica che sta alla base dei dispositivi di sicurezza come airbag e cinture di sicurezza, che aumentano il tempo impiegato da un corpo umano per cambiare il suo momento da una certa velocità a (solitamente) zero. Questo diminuisce la forza che il corpo sperimenta. Anche se il tempo è ridotto di soli microsecondi, una differenza che le menti umane non possono osservare, trascinando per quanto tempo una persona rallenta mettendole in contatto con un airbag per molto più tempo di un colpo corto sul cruscotto può ridurre drasticamente le forze sentite su quel corpo. L'impulso e il momento hanno le stesse unità, quindi non sono una specie di stessa cosa? È quasi come confrontare l'energia termica con l'energia potenziale; non esiste un modo intuitivo per gestire l'idea, solo la matematica. Ma in generale, puoi considerare lo slancio come un concetto di stato stazionario, come lo slancio che stai camminando a 2 m /s. Immagina che il tuo slancio cambi perché ti imbatti in qualcuno che cammina leggermente più lentamente di te in la stessa direzione. Ora immagina qualcuno che ti incontri di fronte a 5 m /s. Le implicazioni fisiche della differenza tra il solo "avere" slancio e sperimentare diversi cambiamenti nel momento sono enormi. Fino agli anni '60, gli atleti che hanno partecipato al salto in alto - che comporta la compensazione di un sottile barra orizzontale larga circa 10 piedi - solitamente sbarcata in una fossa di segatura. Una volta reso disponibile un tappetino, le tecniche di salto divennero più audaci, perché gli atleti potevano atterrare in sicurezza sulla schiena. Il record mondiale nel salto in alto è di poco più di 8 piedi (2,44 m). Usando l'equazione di caduta libera v f 2 \u003d 2ad con a \u003d 9,8 m /s 2 e d \u003d 2,44 m, scopri che un oggetto cade a 6,92 m /s quando colpisce il terra da questa altezza - poco più di 15 miglia all'ora. Qual è la forza provata da un saltatore alto 70 kg (154 libbre) che cade da questa altezza e si ferma in un tempo di 0,01 secondi? Che cosa succede se il tempo viene aumentato a 0,75 secondi? J \u003d m∆v \u003d (70) (6,92-0) \u003d 484,4 kg⋅m /s Per t \u003d 0,01 (nessun tappetino , solo a terra): F \u003d J /∆t \u003d (484.4 /0.01) \u003d 48.440 N Per t \u003d 0.75 (mat, atterraggio "squishy"): F \u003d J /∆t \u003d (484.4 /0.75 ) \u003d 646 N L'atterraggio del jumper sul tappetino subisce meno dell'1,5 percento della forza che fa la versione non ammortizzata di se stesso. Qualsiasi studio di concetti come come impulso, quantità di moto, inerzia e persino massa dovrebbero iniziare toccando almeno brevemente le leggi di base del movimento determinate dallo scienziato del 17 ° e 18 ° secolo Isaac Newton. Newton offrì un preciso quadro matematico per descrivere e prevedere il comportamento degli oggetti in movimento, e le sue leggi ed equazioni non solo aprirono le porte ai suoi giorni ma rimangono valide oggi, tranne per le particelle relativistiche. La prima legge del moto di Newton, legge dell'inerzia La seconda legge del moto di Newton afferma che le forze agiscono per accelerare gli oggetti con la massa. Quando la forza netta in un sistema è zero, seguono un numero di proprietà intriganti del movimento. Matematicamente, questa legge è espressa F \u003d ma. La terza legge del moto di Newton afferma che per ogni forza F che esiste, esiste anche una forza uguale in grandezza e opposta in direzione (–F). Probabilmente puoi intuire che questo ha implicazioni interessanti quando si tratta del lato contabile delle equazioni di scienze fisiche. Se un sistema non interagisce affatto con l'ambiente esterno, allora alcune proprietà in relazione al suo movimento non cambiano dall'inizio di alcun intervallo di tempo definito alla fine di tale intervallo di tempo. Ciò significa che sono conservati Massa, quantità di moto (due tipi) ed energia sono le proprietà più famose conservate in campo fisico scienza. Lineare il momento e il momento angolare sono entrambi conservati anche se i passaggi matematici richiesti per dimostrare che ciascuna legge sono diversi, perché variabili diverse sono utilizzate per proprietà analoghe.
Impulso riassunto
Definizione formale di impulso
\u003d 0) a un tempo specificato t
.
, o per quanto tempo gli oggetti in collisione sono effettivamente in contatto tra loro.
, la variazione del momento ∆p che risulta da quella forza, o m∆v \u003d m (v f - v i), è anche uguale a F∆t ("F delta t") o forza moltiplicata per l'intervallo di tempo durante il quale agisce.
< li> Le unità di impulso qui sono quindi newton-secondi ("tempo-forza"), proprio come con lo slancio, come richiede la matematica. Questa non è un'unità standard e poiché non ci sono unità di impulso SI, la quantità viene spesso espressa invece nelle sue unità di base, kg⋅m /s.
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Suggerimenti
Derivazione del teorema dell'impulso-momento
Implicazioni del mondo reale
viene aumentato, t
deve diminuire di un importo proporzionale e viceversa. Pertanto, aumentando il tempo di una collisione, la forza deve essere ridotta; l'impulso non può cambiare a meno che qualcos'altro
non cambi di collisione.
Impulso e momento, Confronto
Calcolo dell'impulso: esempio
Le leggi del moto di Newton
, afferma che un oggetto con una velocità costante (incluso v \u003d 0) rimane in quello stato di movimento a meno che non venga agito da una forza esterna. Un'implicazione è che non è necessaria alcuna forza per mantenere un oggetto in movimento indipendentemente dalla velocità; la forza è necessaria solo per cambiarne la velocità.
Proprietà conservate in Fisica
. Nulla scompare o appare letteralmente dal nulla; se è una proprietà conservata, deve essere esistita in precedenza o continuerà ad esistere "per sempre".
di un oggetto rotante viene trovato usando l'equazione mvr, dove r è il vettore dall'asse di rotazione all'oggetto.
