運動量は、運動中の質量の測定値です。動いている物体には運動量があります。ニュートンの定義によると、物体の運動量 (p) は、物体の質量 (m) と速度 (v) の積です。物理学では、物体の運動量は質量×速度に等しくなります。
通常、運動量は文字「p」を使用して省略され、方程式は次のようになります。
ここで、p は運動量、m は質量、v は速度です。
この式から、物体の速度と質量が運動量に等しく影響することがわかります。
私たちは歩いているときよりも走っているときの方が勢いがあります。同様に、車と自転車が同じ速度で通りを走っている場合、車のほうが運動量が大きくなります (質量が大きいため)。
運動量は、物体が動いているときの力、つまり、別の物体にどれだけの力を加えることができるかを表すことができます。たとえば、非常にゆっくりと (低速で) 押したボウリング ボール (質量の大きい) は、ガラスのドアにぶつかっても壊れませんが、野球ボール (質量の小さい) は、速く (高速で) 投げて、同じ窓を割ることができます。野球はボウリングのボールよりも勢いがあります。運動量は質量と速度の積であるため、オブジェクトの運動量に影響します。示されているように、質量が大きく速度が遅い物体は、質量が小さく速度が大きい物体と同じ運動量を持つことができます。弾丸は、異常な速度のために運動量が非常に高い別の例です。
運動量はベクトル量です。ベクトル量は、大きさと方向の両方によって完全に記述される量です。 2 m/s で西に移動する 5 kg のボウリング ボールの運動量を完全に説明するには、ボウリング ボールの大きさと方向の両方に関する情報を含める必要があります。ボールが 10 kg m/s の運動量を持っていると言うだけでは十分ではありません。ボールの運動量は、その方向に関する情報が与えられるまで完全には説明されません。運動量ベクトルの方向は、ボールの速度の方向と同じです。速度ベクトルの方向は、物体が動いている方向と同じです。ボウリングのボールが西に移動している場合、その運動量は西に 10 kg m/s であると完全に説明できます。ベクトル量として、オブジェクトの運動量は大きさと方向の両方で完全に記述されます。運動量の方向は、矢印またはベクトルで示されます。
運動量の単位は、kg m/s (キログラム メートル/秒) または N s (ニュートン秒) です。
インパルス – インパルスは、新しい力によって引き起こされる運動量の変化です。この力は、力の方向に応じて運動量を増減します。前に移動していたオブジェクトに近づいたり遠ざかったりします。新しい力 (N) が物体の運動量 (x) の方向に向かう場合、x の運動量は増加します。したがって、N が反対方向にオブジェクト x に向かっている場合、x は減速し、その運動量は減少します。
運動量保存を理解するには、運動量の方向が重要です。システムの運動量は、ベクトル加算を使用して加算されます。ベクトル加算の規則の下では、反対方向に向かう同じ量の運動量と一緒に一定量の運動量を追加すると、総運動量はゼロになります。たとえば、銃が発砲されると、小さな塊 (弾丸) が一方向に高速で移動します。より大きな質量 (銃) は、はるかに遅い速度で反対方向に移動します。銃の反動は運動量保存則によるものです。銃は質量が大きいため、弾丸よりも遅い速度で戻ります。弾丸の運動量と銃の運動量は、大きさはまったく同じですが、方向は逆です。ベクトル加算を使用して、弾丸の運動量を銃の運動量 (サイズは等しいが方向が反対) に追加すると、システム全体の運動量はゼロになります。銃弾システムの運動量は保存されています。
2 つの物体がぶつかり合うことを衝突と呼びます。物理学では、衝突は事故 (2 台の車が互いに衝突するなど) を伴う必要はありませんが、2 つ以上の移動するオブジェクトが短時間の間互いに力を及ぼす任意のイベントである可能性があります。
衝突には、弾性衝突と非弾性衝突の 2 種類があります。
弾性衝突は、運動エネルギーが失われない衝突です。弾性衝突は、衝突時に 2 つのオブジェクトが「跳ね返る」ときに発生します。
非弾性衝突は、衝突する物体の運動エネルギーの一部が失われる衝突です。これは、エネルギーが熱や音などの別の種類のエネルギーに変換されるためです。非弾性衝突は、2 つのオブジェクトが衝突し、互いに跳ね返らないときに発生します。
例:
物理学における重要な理論は、運動量保存の法則です。この法則は、2 つの物体が衝突したときに運動量がどうなるかを説明しています。この法則は、閉じた系で 2 つの物体が衝突するとき、衝突前の 2 つの物体の総運動量は、衝突後の 2 つの物体の総運動量と同じであると述べています。各オブジェクトの運動量は変化する可能性がありますが、全体の運動量は同じままでなければなりません。
例えば、質量10kgの赤い球が東に5m/sの速度で移動し、質量20kgの青い球が西に10m/sの速度で移動した場合、結果はどうなるでしょうか? ?
まず、衝突前の各ボールの運動量を特定します。
赤い球 = 10 kg * 5 m/s = 50 kg m/s 東
青いボール = 20 kg * 10 m/s = 200 kg m/s 西
結果として生じる運動量は、両方のボール = 150 kg m/s west になります。
注: 静止している物体の運動量は 0 kg m/s です。
上で説明した運動量は、主に線形運動量です。これは、運動量に関する私たちの理解と一致しています。大きくて動きの速い物体は、小さくて動きの遅い物体よりも大きな運動量を持ちます。線形運動量は p = mv として表されます
線形運動量保存の原則によると、外力がなければ、システムの全運動量は変化しません。個々のコンポーネントの運動量は変化する可能性があり、通常は変化しますが、システム全体の運動量は一定のままです。
しかし、円を描くように動く物体はどうでしょうか?同じように角運動量をまったく想像できないことがわかりました。角運動量は、回転または円運動をしている物体の運動量であり、慣性モーメントと角速度の積に等しくなります。角運動量は、1 秒あたりのキログラム メートル平方で測定されます。
回転体には、慣性モーメントと呼ばれる慣性があります。慣性モーメントは、トルク (力に相当する回転) が加えられたときの回転速度の変化に対する抵抗であるため、線形運動量の質量に似ています。
慣性モーメントは以下に依存します。
角運動量は L = Iω で表されます。この方程式は、p = mv として線形運動量の定義に類似しています。直線運動量の単位は kg m/s で、角運動量の単位は kg m2/s です。当然のことながら、地球のように慣性モーメント I が大きい物体は、角運動量が非常に大きくなります。遠心分離機のように大きな角速度 ω を持つ物体は、かなり大きな角運動量も持っています。
角運動量の保存は、多くの現象を説明します。システムに外部トルクが作用しない場合、システムの総角運動量は変化しません。慣性モーメントを変えるだけで回転数が変わります。
角運動量の保存の例は、アイス スケーターがスピンを実行しているときです。彼女のスケート靴と氷の間の摩擦は比較的小さく、摩擦はピボット ポイントの非常に近くで発生するため、彼女の正味のトルクはゼロに非常に近くなります。その結果、彼女はかなりの時間スピンすることができます。彼女は他のこともできます。彼女は腕と脚を内側に引っ張ることで回転数を増やすことができます。腕と脚を引っ張ると回転数が増えるのはなぜですか?答えは、彼女の正味のトルクが無視できるほど小さいため、彼女の角運動量は一定であるということです。彼女が腕を引き寄せると、彼女の回転率が大幅に増加し、慣性モーメントが減少します。彼女が腕を引っ張るために行う作業は、回転運動エネルギーの増加をもたらします。
何かが慣性モーメントを減少させたために、回転速度が増加したオブジェクトの例が他にもいくつかあります。竜巻はその一例です。竜巻を発生させるストーム システムは、ゆっくりと回転しています。回転半径が狭くなると、局所的な領域でも角速度が増加し、時には竜巻の猛烈なレベルにまで達します。地球は別の例です。私たちの惑星は、ガスと塵の巨大な雲から生まれました。その回転は、さらに大きな雲の乱気流から生じました。重力によって雲が収縮し、その結果、回転速度が増加しました。
人間の動きの場合、足が地面から離れて体が環境と相互作用するとき、角運動量が保存されるとは考えられません。宇宙に浮遊している宇宙飛行士は、静止している場合、船内に対して角運動量を持っていません。彼らの体は、船の側面から押し出されない限り、体がどのようにねじれても、このゼロ値を持ち続けます。
