Momentum in Physics begrijpen

Momentum is een afgeleide grootheid, berekend door de massa te vermenigvuldigen, m (een scalaire grootheid), maal snelheid, v (een vectorhoeveelheid). Dit betekent dat het momentum een ​​richting heeft en die richting is altijd dezelfde richting als de snelheid van de beweging van een object. De variabele die wordt gebruikt om momentum weer te geven is p. De vergelijking om het momentum te berekenen, wordt hieronder weergegeven.

p = mv

De SI eenheden momentum zijn kilogram maal meter per seconde, of kg*m/s.

Als vectorhoeveelheid kan momentum worden opgesplitst in componentvectoren. Wanneer u naar een situatie kijkt op een driedimensionaal coördinatenraster met gelabelde richtingen X, y, en z. Je kunt bijvoorbeeld praten over de component van momentum die in elk van deze drie richtingen gaat:

p_X = mv_X
p_y = mv_y
p_z = mv_z

Deze componentvectoren kunnen vervolgens samen worden gereconstitueerd met behulp van de technieken van vector wiskunde

p = p_X + p_y + p_z = mv_X + mv_y + mv_z

Een van de belangrijke eigenschappen van momentum en de reden waarom het zo belangrijk is bij het doen van natuurkunde is dat het een is geconserveerd aantal stuks. Het totale momentum van een systeem blijft altijd hetzelfde, ongeacht welke veranderingen het systeem doormaakt (zolang er geen nieuwe momentumdragende objecten worden geïntroduceerd).

De reden dat dit zo belangrijk is, is dat het natuurkundigen in staat stelt het systeem voor en na de metingen uit te voeren systeemwijziging en daar conclusies over trekken zonder werkelijk elk detail van de aanrijding te hoeven kennen zelf.

Overweeg een klassiek voorbeeld van twee botsende ballen. Dit type aanrijding wordt een genoemd Elastische botsing. Je zou kunnen denken dat een natuurkundige, om erachter te komen wat er na de botsing gaat gebeuren, de specifieke gebeurtenissen die tijdens de botsing plaatsvinden zorgvuldig moet bestuderen. Dit is eigenlijk niet het geval. In plaats daarvan kunt u het momentum van de twee ballen vóór de botsing berekenen (p_1i en p_2i, waar de ik staat voor "initial"). De som hiervan is het totale momentum van het systeem (laten we het noemen) p_T, waar "T" staat voor "totaal) en na de botsing - het totale momentum zal hieraan gelijk zijn, en omgekeerd. De momenta van de twee ballen na de botsing is p_1f en p_1f, waar de f staat voor "definitief". Dit resulteert in de vergelijking:

p_T = p_1i + p_2i = p_1f + p_1f

Als u enkele van deze momentumvectoren kent, kunt u die gebruiken om de ontbrekende waarden te berekenen en de situatie te construeren. In een eenvoudig voorbeeld, als je weet dat bal 1 in rust was (p_1i = 0) en je meet de snelheden van de ballen na de botsing en gebruik dat om hun momentumvectoren te berekenen, p_1f en p_2f, kunt u deze drie waarden gebruiken om precies het momentum te bepalen p_2i moet zijn geweest. Je kunt dit ook gebruiken om de snelheid van de tweede bal voorafgaand aan de botsing te bepalen p / m = v.

Een ander type aanrijding wordt een genoemd niet-elastische botsing, en deze worden gekenmerkt door het feit dat kinetische energie verloren gaat tijdens de botsing (meestal in de vorm van warmte en geluid). Bij deze botsingen echter momentum is behouden, dus het totale momentum na de botsing is gelijk aan het totale momentum, net als bij een elastische botsing:

p_T = p_1i + p_2i = p_1f + p_1f

Wanneer de botsing ertoe leidt dat de twee objecten aan elkaar "plakken", wordt dit een perfect inelastische botsing, omdat de maximale hoeveelheid kinetische energie verloren is gegaan. Een klassiek voorbeeld hiervan is het afvuren van een kogel in een blok hout. De kogel stopt in het bos en de twee bewegende objecten worden nu een enkel object. De resulterende vergelijking is:

m₁v_1i + m₂v_2i = (m₁ + m₂)v_f

Net als bij de eerdere botsingen, kunt u met deze gewijzigde vergelijking enkele van deze hoeveelheden gebruiken om de andere te berekenen. Je kunt dus op het blok hout schieten, de snelheid meten waarmee het beweegt tijdens het schieten, en bereken vervolgens het momentum (en dus de snelheid) waarmee de kogel bewoog vóór de botsing.

Tweede bewegingswet van Newton vertelt ons dat de som van alle krachten (we noemen dit F_som, hoewel de gebruikelijke notatie betrekking heeft op de Griekse letter sigma) die op een object inwerkt, is gelijk aan de massatijden versnelling van het object. Versnelling is de snelheid waarmee de snelheid verandert. Dit is de afgeleide van snelheid met betrekking tot tijd, of dv/dt, in calculustermen. Met behulp van enkele basisberekeningen krijgen we:

F_som = ma = m * dv/dt = d(mv)/dt = dp/dt

Met andere woorden, de som van de krachten die op een object inwerken, is de afgeleide van het momentum met betrekking tot tijd. Samen met de eerder beschreven instandhoudingswetten biedt dit een krachtig hulpmiddel voor het berekenen van de krachten die op een systeem inwerken.

In feite kunt u de bovenstaande vergelijking gebruiken om de eerder besproken instandhoudingswetten af ​​te leiden. In een gesloten systeem zijn de totale krachten die op het systeem inwerken nul (F_som = 0), en dat betekent dat dP_som/dt = 0. Met andere woorden, het totaal van alle momentum binnen het systeem verandert niet in de tijd, wat betekent dat het totale momentum P_sommoet constant blijven. Dat is het behoud van momentum!