Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 1. Материя. Движение. Сила

В каждом из этих случаев изменения количества движения равны и противоположны друг другу. Опыты с другими массами, например, когда тело с массой М налетает на тело с массой 3 М или тело с массой 2 М налетает на тело с массой М , дают аналогичные результаты.

Опыт 4. Опыт с тележками, связанными посредством растянутой пружины (фиг. 200). Этот опыт с игрушечными тележками представляет собой видоизменение опыта 2 .

Фиг. 200. Движение тележек навстречу друг другу под действием растянутой пружины.

Две тележки, удаленные друг от друга, помещены на ровный рельсовый путь и соединены длинной растянутой пружиной. После того как тележки отпускают, они сближаются, сталкиваются и сцепляются крючками. Если обе тележки в начальный момент, когда их отпускают, находятся в состоянии покоя, то после столкновения обе сцепленные тележки также будут покоиться .

Мы говорим, что обе массы приобретают равные и противоположно направленные количества движения, которые взаимно уничтожаются при столкновении. Это происходит независимо от того, равны массы тележек или не равны.

Опыт 5. Измерение скорости полета ружейной пули. Если выпущенная из ружья пуля пробивает деревянный брусок и застревает в нем, происходит неупругое столкновение — энергия движения пули в основном превращается в теплоту, но количество движения пули целиком передается бруску. Чтобы измерить скорость пули, вычисляют количество движения, как показано в задаче 4 .

Задача 4. Измерение скорости ружейной пули

Пуля, выпущенная из ружья, летит горизонтально и попадает в деревянный брусок, положенный на тележку, которая перемещается по рельсовому пути с компенсированным трением (фиг. 201).

Фиг. 201. Измерение скорости ружейной пули на основе сохранения количества движения.

Тележка первоначально покоится, затем пуля застревает в дереве и тележка движется по рельсам с постоянной скоростью. Полоска из картона длиной 0,50 м, укрепленная на тележке, проходит мимо фотоэлемента за 0,80 сек, масса пули, извлеченной из деревянного бруска, равна 0,00300 кг (или 3 г). Масса бруска и тележки, вместе взятых, равна 2,997 кг. Чтобы найти первоначальную скорость пули, обозначьте ее через V м/сек и воспользуйтесь законом сохранения количества движения.

а) Чему равна скорость тела (брусок + тележка + пуля) после столкновения?

б) Обозначьте скорость пули до столкновения через V м/сек. Чему равно количество движения пули до столкновения?

в) Чему равно количество движения тела (брусок + тележка) в состоянии покоя до столкновения?

г) Чему равно суммарное количество движения до столкновения?

д) Чему равна масса всех трех тел, вместе взятых, после столкновения?

е) Чему равно количество движения всех трех тел, вместе взятых, после столкновения?

ж) Воспользуйтесь в качестве исходного предположения законом сохранения количества движения и запишите ваше предположение в виде уравнения, используя полученные выше результаты. Найдите значение V .

Этот метод используют на практике в баллистике. (Деревянный брусок не укрепляют на тележке, а обычно подвешивают в виде маятника. При этом изменяется геометрия опыта, но принцип, лежащий в его основе, остается прежним.) Метод основав на предположении о сохранении количества движения; скорость пули можно измерить и другими способами; получаемые при этом результаты совпадают с нашими. На фиг. 202 показан принципиально иной метод измерения, который может служить проверкой результата, полученного предыдущим методом. Пуля пролетает через два бумажных диска, укрепленных на оси, вращающейся с известной скоростью, и оставляет в дисках отверстие Y . При неподвижной оси с помощью выстрела проделываются «стандартные отверстия» X . Угловое смещение отверстий ( А — В ) служит мерой времени пролета пули.

Фиг. 202. Другой метод измерения скорости ружейной пули.

Третий закон Ньютона

Если мы уверены, что количество движения Mv сохраняется (никогда не теряется и не создается вновь, а происходит лишь обмен количеством движения между телами), то можно сделать вывод, что два тела, которые сталкиваются или взаимодействуют между собой, должны действовать друг на друга с равными и противоположно направленными силами. Это третий закон движения Ньютона:

ДЕЙСТВИЕ РАВНО ПРОТИВОДЕЙСТВИЮ

Вот доказательство этого утверждения.

Предположим, что два тела, А и В (фиг. 203), сталкиваются друг с другом (или обмениваются количеством движения каким-нибудь иным способом). Обозначим изменение количества движения тела А через Δ( Mv ) A, а изменение количества движения тела В — через Δ( Mv ) В. Тогда, если количество движения сохраняется, Δ( Mv ) Aи Δ( Mv ) Вдолжны быть равны и противоположно направлены

Δ( Mv ) В = — Δ( Mv ) A

(То же можно записать и по другому: полное изменение количества движения, Δ( Mv ) A+ Δ( Mv ) В, должно быть равно нулю.)

Но для тела А изменение количества движения равно

Δ( Mv) A= (Сила, действующая на A )∙Δ t,

а для тела В изменение количества движения равно

Δ( Mv) В= (Сила, действующая на В )∙Δ t

Физ. 203. Силы, действующие во время столкновения.

При столкновении со стороны каждого тела, действует на другое одна сила.

Время Δ t одно и то же для обоих тел, поскольку столкновение тела А с телом В не может длиться больше, чем столкновение тела В с телом А (Δ t — это просто продолжительность столкновения обоих тел).

Следовательно, если количество движения сохраняется, то

(Сила, действующая на A )∙Δ t = —(Сила, действующая на В )∙Δ t,

или

(Сила, действующая на A ) = —(Сила, действующая на В )∙Δ t.

Таким образом, (сила, действующая на А ) и (сила, действующая на В ) равны и противоположны друг другу,

ДЕЙСТВИЕ РАВНО ПРОТИВОДЕЙСТВИЮ.

Существует мнение, что сохранение количества движения — это экспериментально установленный факт, и поэтому считают, что третий закон Ньютона хорошо проверен на опыте. Другие рассматривают третий закон как аксиому, своего рода предварительную формулировку способа, которым мы собираемся исследовать природу. Они предостерегают нас, заявляя, что сохранение количества движения нельзя доказать экспериментально. Можно лишь получить иллюстрацию этого принципа, поскольку те же или аналогичные эксперименты, которые берутся для вычисления Mv , мы используем для измерения масс.