Импульс - важнейшая характеристика движения тела. Знание единицы его измерения помогает понять природу многих физических процессов. Давайте разберемся, что такое импульс и почему его единица измерения имеет фундаментальное значение.
Понятие импульса в физике
Импульс - это векторная физическая величина, численно равная произведению массы тела на его скорость:
p = m*v
Где р - импульс, m - масса тела, v - скорость тела.
Вектор импульса всегда направлен вдоль вектора скорости тела. Импульс является мерой количества движения, которым обладает движущееся тело. Чем больше масса или скорость, тем больше импульс.
Импульс тесно связан со вторым законом Ньютона: сила, действующая на тело, равна произведению его массы на ускорение.
А ускорение есть изменение скорости тела за единицу времени. Поэтому сила, приложенная к телу, приводит к изменению его импульса.
Примеры импульса тел
- Импульс автомобиля массой 1 тонна, движущегося со скоростью 36 км/ч, будет равен 1000 кг * 10 м/с = 10000 кг*м/с.
- Импульс футбольного мяча массой 0,5 кг, летящего со скоростью 10 м/с, составляет 0,5 кг * 10 м/с = 5 кг*м/с.
Как видно из примеров, импульс зависит от конкретного тела, его индивидуальных характеристик.
Единица измерения импульса в СИ
Единицей измерения импульса в СИ является кг*м/с. Эта единица получается непосредственно из формулы для импульса как произведения:
- килограмм (кг) - единица массы;
- метр (м) - единица длины, откуда скорость в метрах за секунду (м/с);
То есть единица измерения импульса отражает физический смысл этой величины и ее связь с массой и скоростью движения.
В других системах единиц для выражения импульса используются соответствующие значения массы и скорости. Например, в СГС импульс измеряется в г*см/с.
Связь единицы измерения импульса и энергии
Между импульсом и энергией тела существует прямая связь. Для нерелятивистских скоростей она выражается формулой:
E = p2/2m
где E - энергия тела, p - его импульс, m - масса.
Из этого соотношения видно, что единица измерения энергии вытекает из единицы измерения импульса. Подставив кг*м/с для импульса, получаем, что энергия должна измеряться в (кг*м/с)2/кг = кг*м2/с2. Это как раз единица энергии - джоуль - в Международной системе СИ.
Таким образом, зная импульс тела, можно найти его энергию. Например, кинетическая энергия движения определяется через импульс по приведенной выше формуле. А потенциальная энергия тела в гравитационном поле тоже связана с импульсом при падении или подъеме тела.
| Вид энергии | Единица измерения |
| Кинетическая | Джоуль (Дж) |
| Потенциальная гравитационная | Джоуль (Дж) |
Таким образом, знание единицы измерения импульса позволяет также определить единицы для измерения различных видов энергии.
Применение единицы измерения импульса
Знание единицы измерения импульса и умение оперировать этой величиной имеет большое практическое значение.
Расчет характеристик движения тел
По известному импульсу тела можно рассчитать его скорость, если известна масса. И наоборот, если заданы масса и скорость, то по формуле импульса находится его численное значение.
Также, зная изменение импульса тела за некоторый промежуток времени, можно найти силу, действующую на него, по формуле:
F = Δp/Δt
Определение силы и работы
Любое изменение импульса тела происходит под действием некоторой силы. Согласно приведенной выше формуле, по величине изменения импульса Δр за известный интервал времени можно рассчитать действующую силу F.
А произведение силы на величину перемещения тела под действием этой силы дает работу. Таким образом, единица измерения импульса позволяет косвенно найти работу по изменению импульса тела.
Примеры расчетов
Рассмотрим задачу на практическое применение единицы измерения импульса и формул с ним связанных:
Масса шайбы m = 0,15 кг. С какой начальной скоростью она была запущена, если за время t = 5 с ее импульс изменился на величину Δр = 4 кг*м/с?
Решение:
Начальный импульс шайбы: пн = 0 (из состояния покоя).
Конечный импульс: пк = пн + Δр = 0 + 4 = 4 кг*м/с.
По формуле импульса: p = m*v определяем скорость шайбы:
v = p/m = 4 кг*м/с / 0,15 кг = 26,7 м/с.
Ответ: начальная скорость шайбы була 26,7 м/с.
Импульс и закон сохранения энергии
При движении тела под действием постоянной равнодействующей силы происходит равноускоренное движение. Согласно второму закону Ньютона, такая сила вызывает изменение импульса тела за счет увеличения его скорости. При этом кинетическая энергия тела тоже возрастает. И получается, что единица измерения импульса связана с единицей энергии не только математически, но и физически - через законы сохранения.
Проявление импульса в технике
Понимание сути импульса и умение с ним работать используется во многих областях техники.
Реактивные двигатели
Принцип реактивного движения основан на законе сохранения импульса. Газ, истекающий из сопла двигателя, имеет большой импульс в одном направлении. А по закону сохранения импульса ракеты приобретает равный импульс в противополжном направлени.
Применение импульса в быту
Даже в обычной жизни понимание сути импульса и умение с ним работать помогает объяснить некоторые эффекты.
Удар при падении
При падении с высоты тело разгоняется и его импульс увеличивается перед ударом о землю. Поэтому при ударе оно воздействует большей силой. Зная формулы для импульса, можно рассчитать силу такого удара.
