Der Impuls ist ein Maß für die Masse in Bewegung. Jedes Objekt, das sich bewegt, hat Schwung. Wie von Newton definiert, ist der Impuls eines Objekts (p) das Produkt aus der Masse (m) und der Geschwindigkeit (v) des Objekts. In der Physik ist der Impuls eines Objekts gleich der Masse mal der Geschwindigkeit.
Normalerweise wird der Impuls mit dem Buchstaben "p" abgekürzt, wodurch die Gleichung wie folgt aussieht:
Dabei ist p der Impuls, m die Masse und v die Geschwindigkeit
Aus dieser Gleichung können wir erkennen, dass die Geschwindigkeit des Objekts und die Masse einen gleichen Einfluss auf die Impulsmenge haben.
Wir haben mehr Schwung beim Laufen als beim Gehen. Wenn ein Auto und ein Fahrrad mit der gleichen Geschwindigkeit die Straße entlang fahren, hat das Auto (aufgrund seiner höheren Masse) mehr Schwung.
Momentum kann als die Kraft betrachtet werden, wenn sich ein Objekt bewegt, dh wie viel Kraft es auf ein anderes Objekt ausüben kann. Zum Beispiel kann eine Bowlingkugel (große Masse), die sehr langsam gedrückt wird (niedrige Geschwindigkeit), eine Glastür treffen und nicht brechen, während ein Baseball (kleine Masse) schnell geworfen werden kann (hohe Geschwindigkeit) und dasselbe Fenster brechen kann. Der Baseball hat eine größere Dynamik als die Bowlingkugel. Weil der Impuls das Produkt der Masse ist und die Geschwindigkeit den Impuls eines Objekts beeinflusst. Wie gezeigt, kann ein Objekt mit einer großen Masse und einer geringen Geschwindigkeit den gleichen Impuls haben wie ein Objekt mit einer kleinen Masse und einer großen Geschwindigkeit. Eine Kugel ist ein weiteres Beispiel, bei dem der Impuls aufgrund der außergewöhnlichen Geschwindigkeit sehr hoch ist.
Der Impuls ist eine Vektorgröße. Eine Vektorgröße ist eine Größe, die sowohl durch die Größe als auch durch die Richtung vollständig beschrieben wird. Um den Impuls einer 5 kg schweren Bowlingkugel, die sich mit 2 m / s nach Westen bewegt, vollständig zu beschreiben, müssen Informationen sowohl zur Größe als auch zur Richtung der Bowlingkugel angegeben werden. Es reicht nicht aus zu sagen, dass der Ball einen Impuls von 10 kg m / s hat; Der Impuls des Balls wird erst vollständig beschrieben, wenn Informationen über seine Richtung vorliegen. Die Richtung des Impulsvektors entspricht der Richtung der Geschwindigkeit der Kugel. Die Richtung des Geschwindigkeitsvektors entspricht der Richtung, in die sich ein Objekt bewegt. Wenn sich die Bowlingkugel nach Westen bewegt, kann ihr Impuls vollständig beschrieben werden, indem gesagt wird, dass sie 10 kg m / s nach Westen beträgt. Als Vektorgröße wird der Impuls eines Objekts sowohl durch die Größe als auch durch die Richtung vollständig beschrieben. Die Impulsrichtung wird durch einen Pfeil oder Vektor angezeigt.
Die Impulseinheit ist kg m / s (Kilogramm Meter pro Sekunde) oder N s (Newton Sekunde).
Impuls - Impuls ist die Änderung des Impulses, die durch eine neue Kraft verursacht wird. Diese Kraft erhöht oder verringert den Impuls in Abhängigkeit von der Richtung der Kraft. auf das Objekt zu oder von ihm weg, das sich zuvor bewegt hat. Wenn die neue Kraft (N) in Richtung des Impulses des Objekts (x) geht, nimmt der Impuls von x zu; Wenn sich N also in entgegengesetzter Richtung dem Objekt x nähert, verlangsamt sich x und sein Impuls nimmt ab.
Für das Verständnis der Impulserhaltung ist die Richtung des Impulses wichtig. Der Impuls in einem System wird durch Vektoraddition addiert. Nach den Regeln der Vektoraddition ergibt das Hinzufügen einer bestimmten Impulsmenge zusammen mit der gleichen Impulsmenge in die entgegengesetzte Richtung einen Gesamtimpuls von Null. Wenn beispielsweise eine Waffe abgefeuert wird, bewegt sich eine kleine Masse (die Kugel) mit hoher Geschwindigkeit in eine Richtung. Eine größere Masse (die Waffe) bewegt sich mit einer viel langsameren Geschwindigkeit in die entgegengesetzte Richtung. Der Rückstoß einer Waffe ist auf die Erhaltung des Impulses zurückzuführen. Die Waffe bewegt sich aufgrund ihrer größeren Masse mit einer geringeren Geschwindigkeit als die Kugel zurück. Der Impuls der Kugel und der Impuls der Waffe sind genau gleich groß, aber in entgegengesetzter Richtung. Die Verwendung der Vektoraddition zum Addieren des Impulses der Kugel zum Impuls der Waffe (gleich groß, aber entgegengesetzt in der Richtung) ergibt einen Gesamtsystemimpuls von Null. Der Schwung des Geschützsystems wurde beibehalten.
Wenn zwei Objekte aufeinander treffen, spricht man von einer Kollision. In der Physik muss eine Kollision nicht mit einem Unfall verbunden sein (wie zwei zusammenstoßende Autos), sondern kann jedes Ereignis sein, bei dem zwei oder mehr sich bewegende Objekte für kurze Zeit Kräfte aufeinander ausüben.
Es gibt zwei Arten von Kollisionen - elastische und unelastische
Eine elastische Kollision ist eine Kollision, bei der keine kinetische Energie verloren geht. Die elastische Kollision tritt auf, wenn die beiden Objekte beim Zusammenprall "abprallen".
Eine unelastische Kollision ist eine Kollision, bei der ein Teil der kinetischen Energie der kollidierenden Körper verloren geht. Dies liegt daran, dass die Energie in eine andere Art von Energie wie Wärme oder Schall umgewandelt wird. Unelastische Kollisionen treten auf, wenn zwei Objekte kollidieren und nicht voneinander abprallen.
Beispiele:
Eine wichtige Theorie in der Physik ist das Gesetz der Impulserhaltung. Dieses Gesetz beschreibt, was mit dem Impuls passiert, wenn zwei Objekte kollidieren. Das Gesetz besagt, dass bei einer Kollision zweier Objekte in einem geschlossenen System der Gesamtimpuls der beiden Objekte vor der Kollision dem Gesamtimpuls der beiden Objekte nach der Kollision entspricht. Der Impuls jedes Objekts kann sich ändern, aber der Gesamtimpuls muss gleich bleiben.
Wenn beispielsweise eine rote Kugel mit einer Masse von 10 kg mit einer Geschwindigkeit von 5 m / s nach Osten fährt und mit einer blauen Kugel mit einer Masse von 20 kg mit einer Geschwindigkeit von 10 m / s nach Westen fährt, was ist das Ergebnis? ?
Zuerst identifizieren wir den Impuls jedes Balls vor der Kollision:
Rote Kugel = 10 kg * 5 m / s = 50 kg m / s Ost
Blaue Kugel = 20 kg * 10 m / s = 200 kg m / s westlich
Der resultierende Impuls ist beide Kugeln = 150 kg m / s West
Hinweis: Ein stillstehendes Objekt hat einen Impuls von 0 kg m / s.
Der oben diskutierte Impuls ist größtenteils ein linearer Impuls. Dies steht im Einklang mit unserem Verständnis des Impulses - ein großes, sich schnell bewegendes Objekt hat einen größeren Impuls als ein kleineres, langsameres Objekt. Der lineare Impuls wird ausgedrückt als p = mv
Nach dem Prinzip der Erhaltung des linearen Impulses ändert sich der Gesamtimpuls eines Systems ohne äußere Kräfte nicht. Der Impuls der einzelnen Komponenten kann und wird sich normalerweise ändern, aber der Gesamtimpuls des Systems bleibt konstant.
Aber was ist mit Objekten, die sich in einem Kreis bewegen? Es stellt sich heraus, dass wir uns Drehimpulse nicht auf die gleiche Weise vorstellen können. Der Drehimpuls ist der Impuls eines Objekts, das sich entweder dreht oder kreisförmig bewegt und gleich dem Produkt aus dem Trägheitsmoment und der Winkelgeschwindigkeit ist. Der Drehimpuls wird in Quadratkilometern pro Sekunde gemessen.
Mit einem rotierenden Körper ist eine Trägheit verbunden, die als Trägheitsmoment bezeichnet wird. Das Trägheitsmoment ist wie die Masse im linearen Impuls, da es der Widerstand gegen Änderungen der Drehzahl ist, wenn ein Drehmoment (Rotationsäquivalent zur Kraft) angelegt wird.
Das Trägheitsmoment hängt ab von:
Der Drehimpuls wird ausgedrückt als L = Iω. Diese Gleichung ist analog zur Definition des linearen Impulses als p = mv. Einheiten für den linearen Impuls sind kg m / s, während Einheiten für den Drehimpuls kg m2 / s sind. Wie zu erwarten ist, hat ein Objekt mit einem großen Trägheitsmoment I wie die Erde einen sehr großen Drehimpuls. Ein Objekt mit einer großen Winkelgeschwindigkeit ω, wie beispielsweise eine Zentrifuge, hat auch einen ziemlich großen Drehimpuls.
Die Erhaltung des Drehimpulses erklärt viele Phänomene. Der Gesamtdrehimpuls eines Systems bleibt unverändert, wenn kein externes Drehmoment darauf einwirkt. Die Drehzahl kann einfach durch Ändern des Trägheitsmoments geändert werden.
Ein Beispiel für die Erhaltung des Drehimpulses ist, wenn ein Eisläufer einen Spin ausführt. Das Nettodrehmoment auf sie liegt sehr nahe bei Null, da zwischen ihren Schlittschuhen und dem Eis relativ wenig Reibung besteht und die Reibung sehr nahe am Drehpunkt ausgeübt wird. Folglich kann sie sich für einige Zeit drehen. Sie kann auch noch etwas anderes tun. Sie kann ihre Spinrate erhöhen, indem sie ihre Arme und Beine hineinzieht. Warum erhöht das Ziehen ihrer Arme und Beine ihre Spinrate? Die Antwort ist, dass ihr Drehimpuls aufgrund des Nettodrehmoments auf ihr vernachlässigbar klein ist. Ihre Spinrate steigt stark an, wenn sie an ihren Armen zieht, wodurch ihr Trägheitsmoment abnimmt. Die Arbeit, die sie tut, um in ihren Armen zu ziehen, führt zu einer Erhöhung der kinetischen Rotationsenergie.
Es gibt mehrere andere Beispiele für Objekte, die ihre Spinrate erhöhen, weil etwas ihr Trägheitsmoment verringert hat. Tornados sind ein Beispiel. Sturmsysteme, die Tornados erzeugen, drehen sich langsam. Wenn sich der Rotationsradius selbst in einem lokalen Bereich verengt, steigt die Winkelgeschwindigkeit manchmal auf das wütende Niveau eines Tornados. Die Erde ist ein weiteres Beispiel. Unser Planet wurde aus einer riesigen Gas- und Staubwolke geboren, deren Rotation von Turbulenzen in einer noch größeren Wolke herrührte. Gravitationskräfte führten dazu, dass sich die Wolke zusammenzog und die Rotationsrate dadurch anstieg.
Bei menschlicher Bewegung würde man nicht erwarten, dass der Drehimpuls erhalten bleibt, wenn ein Körper mit der Umgebung interagiert, wenn sein Fuß vom Boden abstößt. Im Weltraum schwebende Astronauten haben keinen Drehimpuls relativ zum Schiffsinneren, wenn sie sich nicht bewegen. Ihre Körper werden weiterhin diesen Nullwert haben, egal wie sie sich drehen, solange sie sich nicht von der Seite des Gefäßes stoßen.
