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對動量定理的理解

民俗 更新时间:2024-09-28 15:14:27

動量定理的由來是建立在牛頓運動定律的基礎之上的,當一個靜止的物體(質量為M)在受到恒力F作用一段時間T後,其加速度可以根據牛頓第二定律求出,即a=F/M,而在直線運動中,加速度又等于末速度減去初速度的差與時間的比值,即a=V/T,這個等式是省掉了初速度等于零的簡化式。

對動量定理的理解(動量定理的由來以及實際應用中的避險)1

将上面的兩個等式進行聯立,就有F×T=M×V。在此等式中,左邊式子的物理含義為力在時間上的累積,即為沖量,用符号I來表示。也就是說,沖量I=F×T。而右邊的式子則為物體的動量,用符号P表示,也就是說動量P=M×V。

對動量定理的理解(動量定理的由來以及實際應用中的避險)2

在沖量與動量中,由于質量與時間都為标量,而速度與力卻都是适量,因此沖量與動量也都是矢量,它們既有大小,同時也有方向。沖量的方向與力的方向相同,準确的說是與合力的方向相同,或向合力的方向傾斜,而動量的方向卻與速度的方向一緻。所以,沖量是過程量,動量是狀态量,但它們都遵循平行四邊形法則。

對動量定理的理解(動量定理的由來以及實際應用中的避險)3

弄清楚了沖量與動量後,我們再來看動量定理。當一個勻速運動的物體(質量為m),其速度為V1,在某一時刻給這個物體施加一個恒力F後,物體運動T時間内,速度變為V2,那麼,此時的動量與沖量之間又有什麼關系呢?

對動量定理的理解(動量定理的由來以及實際應用中的避險)4

根據前面的式子可以得出F×T=MV2-MV1。也就是說,合力對物體産生的沖量等于物體的動量變化量,這就是著名的動量定理。動量定理的出現解決了很多變力問題,也就是說,動量定理隻研究物體的始末狀态,跟物體的中間量加速度就沒有多大的關系。

對動量定理的理解(動量定理的由來以及實際應用中的避險)5

在物體受到變力的情況下,我們應該優先考慮用動量定理來解決實際的物理問題。當時我們也注意到,物體的沖量發生改變時,物體的動量并沒有發生改變。例如在一個水平面上一個很重的鐵箱子,當一個人用力推鐵箱子時,鐵箱子就是不動,在此過程中,人的推理産生的沖量為F推×T,但物體始終沒有動,也就是說物體的動量始終為零。在此過程中,物體的沖量在增大,而物體的動量卻沒有變化。故而,物體的動量與物體的獲得的沖量是沒有多大關系的。

對動量定理的理解(動量定理的由來以及實際應用中的避險)6

因此,動量定理隻适用于運動的物體,包括直線運動與曲線運動以及分子原子的運動,可以這麼說,動量定理其實是将牛頓運動定律從宏觀的物理世界帶入到了微觀的物理世界,進而從根本上幫助人類解決本質上的問題。

對動量定理的理解(動量定理的由來以及實際應用中的避險)7

動量定理在實際的生活中常用在避險上,例如我們熟悉的跳遠運動中,當運動員起跳後,其落腳點為什麼在沙子裡呢?這是因為運動員在起跳之前獲得了很大的速度,也就是很大的動量,但運動員在落地的時候,其動量就為零。

也就是說,不管是運動員落到沙子池裡還是落到水泥地面上,運動員的動量變化量是相同的。根據牛頓第三定律可知,運動落地的瞬時壓力等于地面對運動員的反沖力,如果這個反沖力越大,那麼運動受傷的幾率就會增加,嚴重者都有可能骨折或斷肢。

對動量定理的理解(動量定理的由來以及實際應用中的避險)8

所以,為了保護運動員的人身安全,就必須減小地面對運動員的反沖力,也就減少運動對地面的壓力。根據動量定理F×T=MV2-MV1可知,當動量的變化量一定時,延長時間可以減少力。所以,在跳遠運動中建一個沙池就是為了降低反沖力對運動員的傷害的。

故而,隻要是人們設計出來的東西,它都有物理科學作為依據的。

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