Pęd jest miarą masy w ruchu. Każdy poruszający się obiekt ma pęd. Jak zdefiniował Newton, pęd obiektu (p) jest iloczynem masy (m) i prędkości (v) obiektu. W fizyce pęd obiektu jest równy masie razy prędkość.
Zwykle pęd jest skracany za pomocą litery „p”, dzięki czemu równanie wygląda następująco:
gdzie p to pęd, m to masa, a v to prędkość
Z tego równania widać, że prędkość obiektu i masa mają równy wpływ na wielkość pędu.
Kiedy biegniemy, mamy większy pęd niż podczas chodzenia. Podobnie, jeśli samochód i rower poruszają się ulicą z tą samą prędkością, samochód będzie miał większy pęd (ze względu na większą masę).
Pęd można uznać za moc, gdy obiekt się porusza, to znaczy, jaką siłę może wywierać na inny obiekt. Na przykład kula do kręgli (duża masa) pchana bardzo wolno (mała prędkość) może uderzyć w szklane drzwi i ich nie rozbić, podczas gdy piłka baseballowa (mała masa) może zostać rzucona szybko (duża prędkość) i rozbić to samo okno. Piłka baseballowa ma większy pęd niż kula do kręgli. Ponieważ pęd jest iloczynem masy, a prędkość wpływa na pęd obiektu. Jak pokazano, obiekt o dużej masie i małej prędkości może mieć taki sam pęd jak obiekt o małej masie i dużej prędkości. Pocisk to kolejny przykład, w którym pęd jest bardzo wysoki ze względu na niezwykłą prędkość.
Pęd jest wielkością wektorową. Wielkość wektorowa to wielkość, która jest w pełni opisana zarówno przez wielkość, jak i kierunek. Aby w pełni opisać pęd kuli do kręgli o masie 5 kg, poruszającej się na zachód z prędkością 2 m/s, musimy uwzględnić zarówno wielkość, jak i kierunek kuli do kręgli. Nie wystarczy powiedzieć, że piłka ma pęd 10 kg m/s; pęd piłki nie jest w pełni opisany, dopóki nie zostanie podana informacja o jej kierunku. Kierunek wektora pędu jest taki sam jak kierunek prędkości piłki. Kierunek wektora prędkości jest taki sam, jak kierunek ruchu obiektu. Jeśli kula do kręgli porusza się na zachód, to jej pęd można w pełni opisać, mówiąc, że jest to 10 kg m/s w kierunku zachodnim. Jako wielkość wektorowa, pęd obiektu jest w pełni opisany zarówno wielkością, jak i kierunkiem. Kierunek pędu jest pokazany za pomocą strzałki lub wektora.
Jednostką pędu jest kg m/s (kilogram metr na sekundę) lub N s (Newton sekunda).
Impuls – Impuls to zmiana pędu spowodowana nową siłą; siła ta zwiększy lub zmniejszy pęd w zależności od kierunku działania siły; do lub od obiektu, który poruszał się wcześniej. Jeśli nowa siła (N) zmierza w kierunku pędu obiektu (x), pęd x wzrośnie; dlatego jeśli N zmierza w kierunku obiektu x w przeciwnym kierunku, x zwolni, a jego pęd zmniejszy się.
W zrozumieniu zasady zachowania pędu ważny jest kierunek pędu. Pęd w systemie jest sumowany za pomocą dodawania wektorów. Zgodnie z zasadami dodawania wektorów dodanie pewnej ilości pędu do tej samej ilości pędu idącego w przeciwnym kierunku daje całkowity pęd równy zeru. Na przykład, kiedy strzela się z pistoletu, niewielka masa (pocisk) porusza się z dużą prędkością w jednym kierunku. Większa masa (działo) porusza się w przeciwnym kierunku ze znacznie mniejszą prędkością. Odrzut broni wynika z zasady zachowania pędu. Pistolet cofa się z mniejszą prędkością niż pocisk ze względu na większą masę. Pęd pocisku i pęd działa są dokładnie równe pod względem wielkości, ale przeciwne w kierunku. Użycie dodawania wektorów w celu dodania pędu pocisku do pędu działa (równego rozmiaru, ale przeciwnego kierunku) daje całkowity pęd systemu równy zero. Pęd systemu pocisków pistoletu został zachowany.
Kiedy dwa obiekty zderzają się ze sobą, nazywa się to kolizją. W fizyce zderzenie nie musi pociągać za sobą wypadku (jak zderzenie dwóch samochodów), ale może to być dowolne zdarzenie, w którym dwa lub więcej poruszających się obiektów wywiera na siebie siły przez krótki okres czasu.
Istnieją dwa rodzaje zderzeń – sprężyste i niesprężyste
Zderzenie sprężyste to takie, w którym nie traci się energii kinetycznej. Zderzenie sprężyste występuje, gdy dwa obiekty „odbijają się” od siebie podczas zderzenia.
Zderzenie niesprężyste to takie, w którym część energii kinetycznej zderzających się ciał zostaje utracona. Dzieje się tak, ponieważ energia jest przekształcana w inny rodzaj energii, taki jak ciepło lub dźwięk. Zderzenia nieelastyczne występują, gdy dwa obiekty zderzają się i nie odbijają od siebie.
Przykłady:
Ważną teorią w fizyce jest prawo zachowania pędu. To prawo opisuje, co dzieje się z pędem, gdy zderzają się dwa obiekty. Prawo mówi, że gdy dwa obiekty zderzają się w układzie zamkniętym, to całkowity pęd tych dwóch obiektów przed zderzeniem jest taki sam, jak całkowity pęd tych dwóch obiektów po zderzeniu. Pęd każdego obiektu może się zmieniać, ale całkowity pęd musi pozostać taki sam.
Na przykład, jeśli czerwona kula o masie 10 kg porusza się na wschód z prędkością 5 m/s i zderza się z niebieską kulą o masie 20 kg poruszającą się na zachód z prędkością 10 m/s, jaki jest wynik ?
Najpierw określamy pęd każdej piłki przed zderzeniem:
Czerwona kula = 10 kg * 5 m/s = 50 kg m/s wschód
Niebieska kula = 20 kg * 10 m/s = 200 kg m/s zachód
Wynikowy pęd obu piłek będzie równy 150 kg m/s w kierunku zachodnim
Uwaga: Stojący nieruchomo obiekt ma pęd 0 kg m/s.
Pęd, który omówiliśmy powyżej, jest w dużej mierze pędem liniowym. Jest to zgodne z naszym rozumieniem pędu – duży, szybko poruszający się obiekt ma większy pęd niż mniejszy, wolniejszy obiekt. Pęd liniowy wyraża się jako p = mv
Zgodnie z zasadą zachowania pędu liniowego przy braku sił zewnętrznych całkowity pęd układu nie zmienia się. Pęd poszczególnych elementów może się zmieniać i zwykle się zmienia, ale całkowity pęd układu pozostaje stały.
Ale co z obiektami poruszającymi się po okręgu? Okazuje się, że nie jesteśmy w stanie wyobrazić sobie momentu pędu w ten sam sposób. Moment pędu to pęd obiektu, który obraca się lub porusza się po okręgu i jest równy iloczynowi momentu bezwładności i prędkości kątowej. Moment pędu mierzony jest w kilogramometrach do kwadratu na sekundę.
Obracające się ciało ma związaną z nim bezwładność zwaną momentem bezwładności. Moment bezwładności jest jak masa w pędzie liniowym, ponieważ jest oporem na zmianę prędkości obrotowej, gdy przyłożony jest moment obrotowy (obrotowy równoważnik siły).
Moment bezwładności zależy od:
Moment pędu wyraża się jako L = Iω. To równanie jest analogiczne do definicji pędu liniowego jako p = mv. Jednostką pędu liniowego jest kg m/s, natomiast jednostką momentu pędu jest kg m2/s. Jak można się spodziewać, obiekt o dużym momencie bezwładności I, taki jak Ziemia, ma bardzo duży moment pędu. Obiekt, który ma dużą prędkość kątową ω, taki jak wirówka, ma również dość duży moment pędu.
Zasada zachowania momentu pędu wyjaśnia wiele zjawisk. Całkowity moment pędu układu pozostaje niezmieniony, jeśli nie działa na niego żaden zewnętrzny moment obrotowy. Prędkość obrotową można zmienić po prostu zmieniając moment bezwładności.
Przykładem zachowania momentu pędu jest sytuacja, w której łyżwiarz wykonuje obrót. Moment obrotowy netto działający na nią jest bardzo bliski zeru, ponieważ tarcie między jej łyżwami a lodem jest stosunkowo niewielkie, a tarcie jest wywierane bardzo blisko punktu obrotu. W związku z tym może kręcić się przez dłuższy czas. Ona też może zrobić coś innego. Może zwiększyć prędkość wirowania, wciągając ręce i nogi. Dlaczego pociągnięcie jej rąk i nóg zwiększa jej prędkość wirowania? Odpowiedź jest taka, że jej moment pędu jest stały, ponieważ wypadkowy moment obrotowy działający na nią jest pomijalnie mały. Jej prędkość wirowania znacznie wzrasta, gdy wciąga ramiona, zmniejszając jej moment bezwładności. Praca, jaką wykonuje, aby wciągnąć ramiona, powoduje wzrost energii kinetycznej ruchu obrotowego.
Istnieje kilka innych przykładów obiektów, które zwiększają prędkość wirowania, ponieważ coś zmniejszyło ich moment bezwładności. Tornada są jednym z przykładów. Systemy burzowe, które tworzą tornada, powoli się obracają. Kiedy promień obrotu się zawęża, nawet w lokalnym regionie, prędkość kątowa wzrasta, czasami do wściekłego poziomu tornada. Ziemia to kolejny przykład. Nasza planeta narodziła się z ogromnego obłoku gazu i pyłu, którego rotacja pochodziła z turbulencji w jeszcze większym obłoku. Siły grawitacyjne spowodowały kurczenie się chmury, w wyniku czego zwiększyła się prędkość rotacji.
W przypadku ruchu człowieka nie można by oczekiwać zachowania momentu pędu, gdy ciało wchodzi w interakcję z otoczeniem, gdy jego stopa odpycha się od ziemi. Astronauci unoszący się w przestrzeni kosmicznej nie mają momentu pędu względem wnętrza statku, jeśli są nieruchomi. Ich ciała będą nadal miały tę zerową wartość bez względu na to, jak się przekręcą, dopóki nie odepchną się od burty naczynia.
