ударом називається взаємодія матеріальних тіл, при котрому у відносно малій області простору за вкрай малий проміжок часу відбувається значна зміна швидкостей тіл. наприклад, молот ударяє по відковуваному виробу, який лежить на ковадлі, молоток ударяє по шапинці цвяха і т.п. слід відзначити, що взаємодія може здійснюватись за відсутності безпосереднього дотику тіл, що взаємодіють. наприклад, взаємодія комети, яка проходить поблизу сонця, змінює свою швидкість і знову віддаляється в глибини всесвіту в іншому напрямку, також є зіткненням. хоча при такій взаємодії відсутній безпосередній дотик, який має місце, наприклад, при зіткненні більярдних куль.
лінією удару називається спільна нормаль, проведена до поверхонь двох зударних (співударних) тіл у місці їх доторку при ударі. удар називається центральним, якщо в момент удару центри інерції зутичних тіл перебувають на лінії удару. прикладом такого удару може бути удар двох кульок. удар називається прямим, якщо швидкості центрів інерції зіткнюваних тіл перед ударом напрямлені паралельно лінії удару. у випадку удар називається косим.
при ударі тіла деформуються, і в місцях їх доторку виникають короткочасні, але дуже значні сили, які називаються ударними силами. для системи зударних тіл ці сили є внутрішніми (приймається, що співударні тіла або вільні, або накладені на них зв¢язки такі, що ударні реакції зв¢язків не виникають), тобто не змінюють сумарний імпульс системи. зовнішні сили, які постійно діють на систему (наприклад, сила тяжіння), зазвичай дуже малі порівняно з ударними силами. тому, хоч імпульси ударних сил за час t тривалості удару порівнянні з імпульсами зутичних тіл, сукупний імпульс усіх постійно діючих зовнішніх сил за той же проміжок часу t малий порівняно з імпульсами тіл. відповідно й робота зовнішніх сил над системою за час t мала в порівнянні з механічною енергією системи. таким чином, систему тіл у процесі їх зудару можна наближено вважати замкненою, а при розрахунку результатів удару користуватися законами збереження імпульсу, моменту імпульсу та енергії. якщо при ударі тіла деформуються як цілком пружні, то ударні сили потенціальні, і в системі виконується закон збереження механічної енергії.
удар двох тіл називається абсолютно непружним, якщо після удару обидва тіла рухаються як одне ціле. доволі близькі до абсолютно непружного удару, наприклад, такі процеси, як удар молота копра по палі, яку він забиває, влучення кулі у візок із піском, у якому куля застряє. при непружному ударі відбуваються різноманітні процеси в співударних тілах (пластична деформація, тертя та і унаслідок яких кінетична енергія системи частково або повністю перетворюється в її внутрішню енергію.
якщо два тіла з масами m1 і m2. які рухаються поступально зі v1 і v2, зазнають абсолютно непружного прямого центрального удару, то після нього вони рухаються разом поступально зі швидкістю
.
(примітка. у випадку довільного абсолютно непружного удару, що не є прямим центральним, ця формула дозволяє знайти швидкість центра інерції з¢єднаних при ударі тіл. проте в результаті такого удару може також виникнути обертання системи навколо її центра інерції, яке узгоджується з законом збереження моменту імпульсу).
зміна кінетичної енергії системи двох зутичних тіл при абсолютно непружному прямому центральному ударі
.
зокрема, якщо друге тіло до удару перебуває в стані спокою (наприклад, паля, яку забивають за копра, або покувка, що лежить на ковадлі), то відносне зменшення кінетичної енергії системи при абсолютно непружному центральному ударі
.
абсолютно непружний прямий центральний удар використовують у техніці або для зміни форми тіл (кування, штампування, клепання і т. або для переміщення тіл у середовищі з великим опором (забивання цвяхів, паль і т. у першому випадку доцільно, щоб відношення – було якнайближче до одиниці, тобто необхідно, щоб m2 ›› m1 (маса відковуваного виробу і ковадла повинна значно переважати масу молота). у другому випадку, навпаки, потрібно, щоб втрати кінетичної енергії при ударі були якомога меншими, тобто щоб m2 ‹‹ m1 (маса молотка повинна в багато разів перевищувати масу цвяха).
удар двох тіл називається абсолютно пружним, якщо при цьому ударі механічна енергія системи на змінюється, тобто тіла є абсолютно пружними.
приклад 1. абсолютно пружний прямий центральний удар двох тіл (наприклад, кульок) із масами m1 і m2, які перед ударом рухаються поступально зі швидкостями v1 і v2 вздовж осі ох, яка проходить через їх центри інерції (рис. 3.7, а). швидкості тіл після удару u1 і u2 (рис. 3.7, б) можна знайти з законів збереження імпульсу та механічної енергії:
,
,
швидкості спрямовані вздовж осі ох, а їх проекції на цю вісь дорівнюють
В задачах на движение всегда участвуют три взаимосвязанные величины: S=V×t, где S - расстояние (пройденный путь), V - скорость, t - время движения. В случаях, когда рассматривается движение объекта поперёк течения, надо понимать, что имеет место относительное движение, т.к. объект совершает одновременно два движения: двигается относительно воды со скоростью-вектором V и сносится течением реки со скоростью-вектором U, совершая соответственно два вида перемещений: одно - относительно неподвижного берега (собственно снос течением), другое - движение к противоположному берегу. Исходя из вышесказанного, такие задачи всегда рассматриваются в двух системах координат - подвижной и неподвижной, относительно которых перемещение и скорость объекта различны. Для решения данной задачи прежде всего найдём время tв, спустя которое встретятся пловцы, для чего определим их скорость сближения (относительно воды - подвижной системы координат) Vc = V1+V2 = 1,1 + 0,6 = 1,7 м/с , где V1=1,1 м/c - скорость 1-го пловца относительно воды, V2=0,6 м/c - скорость 2-го пловца относительно воды. Тогда время, спустя которое встретятся пловцы, tв=L/Vc=46/1,7=27,1 c, где L=46 м - ширина реки. Очевидно, что за это же время река отнесёт их относительно берега (неподвижной системы координат) на расстояние S = U×tв = 1,5×27,1 = 40,7 м, где U=1,5 м/с - скорость течения реки. Квадрат же пути S1²= L1² + S² первого пловца до момента встречи в системе отсчёта, связанной с берегом (т.е. неподвижной системы координат) находится из решения прямоугольного треугольника, в котором S1 - гипотенуза, а катеты: L1=V1×tв=1,1×27,1 =29,81 м - расстояние, которое преодолел 1-й пловец относительно воды и S=U×tв = 1,5×27,1 = 40,65 м — снос пловца относительно берега; откуда S1 = √(29,81² + 40,65²) = 50,41 м
абсолютно пружний і непружний удари
ударом називається взаємодія матеріальних тіл, при котрому у відносно малій області простору за вкрай малий проміжок часу відбувається значна зміна швидкостей тіл. наприклад, молот ударяє по відковуваному виробу, який лежить на ковадлі, молоток ударяє по шапинці цвяха і т.п. слід відзначити, що взаємодія може здійснюватись за відсутності безпосереднього дотику тіл, що взаємодіють. наприклад, взаємодія комети, яка проходить поблизу сонця, змінює свою швидкість і знову віддаляється в глибини всесвіту в іншому напрямку, також є зіткненням. хоча при такій взаємодії відсутній безпосередній дотик, який має місце, наприклад, при зіткненні більярдних куль.
лінією удару називається спільна нормаль, проведена до поверхонь двох зударних (співударних) тіл у місці їх доторку при ударі. удар називається центральним, якщо в момент удару центри інерції зутичних тіл перебувають на лінії удару. прикладом такого удару може бути удар двох кульок. удар називається прямим, якщо швидкості центрів інерції зіткнюваних тіл перед ударом напрямлені паралельно лінії удару. у випадку удар називається косим.
при ударі тіла деформуються, і в місцях їх доторку виникають короткочасні, але дуже значні сили, які називаються ударними силами. для системи зударних тіл ці сили є внутрішніми (приймається, що співударні тіла або вільні, або накладені на них зв¢язки такі, що ударні реакції зв¢язків не виникають), тобто не змінюють сумарний імпульс системи. зовнішні сили, які постійно діють на систему (наприклад, сила тяжіння), зазвичай дуже малі порівняно з ударними силами. тому, хоч імпульси ударних сил за час t тривалості удару порівнянні з імпульсами зутичних тіл, сукупний імпульс усіх постійно діючих зовнішніх сил за той же проміжок часу t малий порівняно з імпульсами тіл. відповідно й робота зовнішніх сил над системою за час t мала в порівнянні з механічною енергією системи. таким чином, систему тіл у процесі їх зудару можна наближено вважати замкненою, а при розрахунку результатів удару користуватися законами збереження імпульсу, моменту імпульсу та енергії. якщо при ударі тіла деформуються як цілком пружні, то ударні сили потенціальні, і в системі виконується закон збереження механічної енергії.
удар двох тіл називається абсолютно непружним, якщо після удару обидва тіла рухаються як одне ціле. доволі близькі до абсолютно непружного удару, наприклад, такі процеси, як удар молота копра по палі, яку він забиває, влучення кулі у візок із піском, у якому куля застряє. при непружному ударі відбуваються різноманітні процеси в співударних тілах (пластична деформація, тертя та і унаслідок яких кінетична енергія системи частково або повністю перетворюється в її внутрішню енергію.
якщо два тіла з масами m1 і m2. які рухаються поступально зі v1 і v2, зазнають абсолютно непружного прямого центрального удару, то після нього вони рухаються разом поступально зі швидкістю
.
(примітка. у випадку довільного абсолютно непружного удару, що не є прямим центральним, ця формула дозволяє знайти швидкість центра інерції з¢єднаних при ударі тіл. проте в результаті такого удару може також виникнути обертання системи навколо її центра інерції, яке узгоджується з законом збереження моменту імпульсу).
зміна кінетичної енергії системи двох зутичних тіл при абсолютно непружному прямому центральному ударі
.
зокрема, якщо друге тіло до удару перебуває в стані спокою (наприклад, паля, яку забивають за копра, або покувка, що лежить на ковадлі), то відносне зменшення кінетичної енергії системи при абсолютно непружному центральному ударі
.
абсолютно непружний прямий центральний удар використовують у техніці або для зміни форми тіл (кування, штампування, клепання і т. або для переміщення тіл у середовищі з великим опором (забивання цвяхів, паль і т. у першому випадку доцільно, щоб відношення – було якнайближче до одиниці, тобто необхідно, щоб m2 ›› m1 (маса відковуваного виробу і ковадла повинна значно переважати масу молота). у другому випадку, навпаки, потрібно, щоб втрати кінетичної енергії при ударі були якомога меншими, тобто щоб m2 ‹‹ m1 (маса молотка повинна в багато разів перевищувати масу цвяха).
удар двох тіл називається абсолютно пружним, якщо при цьому ударі механічна енергія системи на змінюється, тобто тіла є абсолютно пружними.
приклад 1. абсолютно пружний прямий центральний удар двох тіл (наприклад, кульок) із масами m1 і m2, які перед ударом рухаються поступально зі швидкостями v1 і v2 вздовж осі ох, яка проходить через їх центри інерції (рис. 3.7, а). швидкості тіл після удару u1 і u2 (рис. 3.7, б) можна знайти з законів збереження імпульсу та механічної енергії:
,
,
швидкості спрямовані вздовж осі ох, а їх проекції на цю вісь дорівнюють
, .
об нерухому плоску стінку ( )
Для решения данной задачи прежде всего найдём время tв, спустя которое встретятся пловцы, для чего определим их скорость сближения (относительно воды - подвижной системы координат) Vc = V1+V2 = 1,1 + 0,6 = 1,7 м/с , где V1=1,1 м/c - скорость 1-го пловца относительно воды, V2=0,6 м/c - скорость 2-го пловца относительно воды. Тогда время, спустя которое встретятся пловцы, tв=L/Vc=46/1,7=27,1 c, где L=46 м - ширина реки.
Очевидно, что за это же время река отнесёт их относительно берега (неподвижной системы координат) на расстояние S = U×tв = 1,5×27,1 = 40,7 м, где U=1,5 м/с - скорость течения реки.
Квадрат же пути S1²= L1² + S² первого пловца до момента встречи в системе отсчёта, связанной с берегом (т.е. неподвижной системы координат) находится из решения прямоугольного треугольника, в котором S1 - гипотенуза, а катеты: L1=V1×tв=1,1×27,1 =29,81 м - расстояние, которое преодолел 1-й пловец относительно воды и S=U×tв = 1,5×27,1 = 40,65 м — снос пловца относительно берега; откуда S1 = √(29,81² + 40,65²) = 50,41 м