Momentum är ett mått på massa i rörelse. Alla föremål som rör sig har fart. Enligt definitionen av Newton är ett föremåls (p) rörelsemängd produkten av föremålets massa (m) och hastighet (v). Inom fysiken är ett föremåls rörelsemängd lika med massan gånger hastigheten.
Vanligtvis förkortas momentum med bokstaven "p" vilket gör att ekvationen ser ut så här:
där p är rörelsemängden, m är massan och v är hastigheten
Från denna ekvation kan vi se att föremålets och massans hastighet har en lika stor inverkan på mängden rörelsemängd.
Vi har mer fart när vi springer än när vi går. På liknande sätt, om en bil och cykel färdas nerför gatan med samma hastighet, kommer bilen att få mer fart (på grund av dess högre massa).
Momentum kan betraktas som kraften när ett föremål rör sig, det vill säga hur mycket kraft det kan ha på ett annat föremål. Till exempel kan en bowlingklot (stor massa) som trycks mycket långsamt (låg hastighet) träffa en glasdörr och inte slå sönder den, medan en baseboll (liten massa) kan kastas snabbt (hög hastighet) och krossa samma fönster. Basebollen har ett större momentum än bowlingklotet. Eftersom rörelsemängd är produkten av massan och hastigheten påverkar rörelsemängden hos ett föremål. Som visas kan ett föremål med stor massa och låg hastighet ha samma rörelsemängd som ett föremål med liten massa och hög hastighet. En kula är ett annat exempel där rörelsemängden är mycket hög, på grund av den extraordinära hastigheten.
Momentum är en vektorstorhet. En vektorkvantitet är en storhet som beskrivs fullständigt av både storlek och riktning. För att fullständigt beskriva farten för en 5 kg bowlingklot som rör sig västerut med 2m/s måste vi inkludera information om både storleken och riktningen på bowlingklot. Det räcker inte att säga att bollen har 10 kg m/s fart; bollens rörelsemängd beskrivs inte fullständigt förrän information om dess riktning ges. Riktningen på momentvektorn är densamma som riktningen för bollens hastighet. Hastighetsvektorns riktning är densamma som riktningen som ett föremål rör sig. Om bowlingklot rör sig västerut, kan dess momentum fullständigt beskrivas genom att säga att det är 10 kg m/s västerut. Som en vektorkvantitet beskrivs ett objekts rörelsemängd fullt ut av både storlek och riktning. Momentets riktning visas med en pil eller vektor.
Enhet för rörelsemängd är kg m/s (kilogram meter per sekund) eller N s (Newton sekund).
Impuls – Impuls är förändringen i momentum som orsakas av en ny kraft; denna kraft kommer att öka eller minska rörelsemängden beroende på kraftens riktning; mot eller bort från föremålet som rörde sig innan. Om den nya kraften (N) går i riktning mot objektets rörelsemängd (x), kommer rörelsemängden för x att öka; därför om N går mot objekt x i motsatt riktning, kommer x att sakta ner och dess rörelsemängd minskar.
För att förstå bevarandet av momentum är momentumets riktning viktig. Momentum i ett system adderas med vektoraddition. Enligt reglerna för vektoraddition, att addera en viss mängd rörelsemängd tillsammans med samma mängd rörelsemängd som går i motsatt riktning ger en total rörelsemängd på noll. Till exempel, när en pistol avfyras, rör sig en liten massa (kulan) med hög hastighet i en riktning. En större massa (pistolen) rör sig i motsatt riktning med mycket lägre hastighet. En pistols rekyl beror på bevarandet av momentum. Pistolen rör sig tillbaka med en lägre hastighet än kulan på grund av dess större massa. Kulans rörelsemängd och pistolens rörelsemängd är exakt lika stora men i motsatt riktning. Att använda vektoraddition för att addera kulans rörelsemängd till pistolens rörelsemängd (lika i storlek men motsatt i riktning) ger ett totalt systemmomentum på noll. Momentet i pistolkulsystemet har bevarats.
När två föremål stöter på varandra kallas det en kollision. Inom fysiken behöver en kollision inte innebära en olycka (som två bilar som kraschar in i varandra), utan kan vara vilken händelse som helst där två eller flera rörliga föremål utövar krafter på varandra under en kort tidsperiod.
Det finns två typer av kollision - elastisk och oelastisk
En elastisk kollision är en kollision där ingen kinetisk energi går förlorad. Den elastiska kollisionen uppstår när de två föremålen "studsar" isär när de kolliderar.
En oelastisk kollision är en kollision där en del av den kinetiska energin hos de kolliderande kropparna går förlorad. Detta beror på att energin omvandlas till en annan typ av energi som värme eller ljud. Oelastiska kollisioner uppstår när två föremål kolliderar och inte studsar iväg från varandra.
Exempel:
En viktig teori inom fysiken är lagen om bevarande av momentum. Denna lag beskriver vad som händer med momentum när två föremål kolliderar. Lagen säger att när två objekt kolliderar i ett slutet system är den totala rörelsemängden för de två objekten före kollisionen detsamma som den totala rörelsemängden för de två objekten efter kollisionen. Varje objekts rörelsemängd kan ändras, men den totala rörelsemängden måste förbli densamma.
Till exempel, om en röd boll med en massa på 10 kg färdas österut med en hastighet av 5m/s och kolliderar med en blå boll med en massa på 20 kg som färdas västerut med en hastighet av 10 m/s, vad blir resultatet ?
Först identifierar vi farten för varje boll före kollisionen:
Röd boll = 10 kg * 5 m/s = 50 kg m/s österut
Blå boll = 20 kg * 10 m/s = 200 kg m/s västerut
Det resulterande momentumet blir båda bollarna = 150 kg m/s västerut
Obs: Ett föremål som står stilla har en rörelsemängd på 0 kg m/s.
Det momentum som vi diskuterade ovan är till stor del linjärt momentum. Det överensstämmer med vår förståelse av momentum – ett stort, snabbrörligt föremål har större momentum än ett mindre, långsammare föremål. Linjärt momentum uttrycks som p = mv
Enligt principen om bevarande av linjärt rörelsemängd, i frånvaro av yttre krafter, förändras inte den totala rörelsemängden i ett system. De enskilda komponenternas rörelsemängd kan, och gör det vanligtvis, men systemets totala rörelsemängd förblir konstant.
Men hur är det med föremål som rör sig i en cirkel? Det visar sig att vi inte riktigt kan föreställa oss vinkelmoment på samma sätt. Vinkelmoment är rörelsemängden för ett föremål som antingen roterar eller i en cirkulär rörelse och är lika med produkten av tröghetsmomentet och vinkelhastigheten. Vinkelmomentet mäts i kilogram meter i kvadrat per sekund.
En roterande kropp har tröghet associerad med sig som kallas tröghetsmomentet. Tröghetsmomentet är som massan i linjärt rörelsemängd eftersom det är motståndet mot förändring i rotationshastighet när ett vridmoment (rotation motsvarande kraft) appliceras.
Tröghetsmomentet beror på:
Vinkelmomentum uttrycks som L = Iω. Denna ekvation är en analog till definitionen av linjärt momentum som p = mv. Enheter för rörelsemängd är kg m/s medan enheter för rörelsemängd är kg m2/s. Som vi kan förvänta oss har ett föremål som har ett stort tröghetsmoment I, som jorden, ett mycket stort rörelsemängd. Ett föremål som har en stor vinkelhastighet ω, såsom en centrifug, har också en ganska stor rörelsemängd.
Bevarande av rörelsemängd förklarar många fenomen. Det totala vinkelmomentet för ett system förblir oförändrat om inget externt vridmoment påverkar det. Rotationshastigheten kan ändras helt enkelt genom att ändra tröghetsmomentet.
Ett exempel på bevarande av vinkelmomentum är när en skridskoåkare utför ett snurr. Nettovridmomentet på henne är mycket nära noll, eftersom det är relativt liten friktion mellan hennes skridskor och isen, och eftersom friktionen utövas mycket nära vridpunkten. Följaktligen kan hon snurra ganska länge. Hon kan göra något annat också. Hon kan öka sin spinnhastighet genom att dra in armarna och benen. Varför ökar spinnhastigheten om hon drar i armarna och benen? Svaret är att hennes vinkelmoment är konstant på grund av nettovridmomentet på henne försumbart litet. Hennes snurrhastighet ökar kraftigt när hon drar i armarna, vilket minskar hennes tröghetsmoment. Arbetet hon gör för att dra i armarna resulterar i en ökning av rotationskinetisk energi.
Det finns flera andra exempel på föremål som ökar sin rotationshastighet eftersom något minskade deras tröghetsmoment. Tornado är ett exempel. Stormsystem som skapar tornados roterar långsamt. När rotationsradien minskar, även i en lokal region, ökar vinkelhastigheten, ibland till den rasande nivån av en tornado. Jorden är ett annat exempel. Vår planet föddes från ett enormt moln av gas och damm, vars rotation kom från turbulens i ett ännu större moln. Gravitationskrafter fick molnet att dra ihop sig, och rotationshastigheten ökade som ett resultat.
När det gäller mänskliga rörelser skulle man inte förvänta sig att vinkelmomentum bevaras när en kropp interagerar med omgivningen när dess fot trycker upp från marken. Astronauter som flyter i rymden har ingen rörelsemängd i förhållande till skeppets insida om de är orörliga. Deras kroppar kommer att fortsätta att ha detta nollvärde oavsett hur de vrider sig så länge de inte ger sig själva en knuff från sidan av fartyget.
