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动力学

冲量定理

冲量 J=F·Δt=Δp,动量守恒,F=J/Δt(安全气囊),碰撞

两个物体相撞的那一瞬间发生了什么,很难逐一追踪,因为力在刹那间急剧升高又随即消失。所以我们不看力本身,而看力作用期间累积起来的量,即冲量。冲量恰好等于物体动量(mv)的改变量,所以即使不知道力是怎样变化的,只要知道动量的变化,就能知道冲量。如果没有来自外部的力,几个物体的总动量在碰撞前后保持不变。如果说能量是力在距离上的累积,那么动量就是力在时间上的累积。

冲量是力乘以力作用的时间,J = F·Δt。图像是横轴为时间、纵轴为力的 F-t 图像,橙色水平线是恒定的力,下方涂成金色的矩形就是冲量。用时间滑块增大 Δt,矩形向右变宽,下方读数中的冲量随时间成正比地增大。同样的力推得越久,传给物体的冲量就越大。即使力随时间变化,冲量也始终是图像下方的面积,也就是力对时间的积分。

冲量到哪里去了?给物体一个冲量 J,也就是金色的一段,动量 p = mv 就在蓝色的初始部分上恰好增加这么多。把它写成公式就是 J = Δp,即动量定理。用滑块增大 J,动量条的金色部分变长;质量不变,所以蓝色速度箭头也变长。正如在动能定理中只要知道开始和结束时的动能就能求出功,这里只要知道开始和结束时的动量就能求出冲量。碰撞瞬间的力无论变化得多么复杂都没有关系。

这是两辆小车之间夹着的弹簧把它们推开的情景。弹簧的力是两车之间相互作用的内力,不是来自外部的力,所以原本静止的系统总动量始终保持为 0。因此向左的动量和向右的动量大小必须相等(m₁v₁ = m₂v₂),质量越大的一方退得越慢。用滑块增大左车的质量 m₁,蓝色箭头 v₁ 变短,而右车的橙色箭头 v₂ 保持不变。开炮时炮弹飞得很快,沉重的炮身却缓缓后退,也是同样的道理。

同样的冲量,在短时间内施加就是大力,在长时间内施加就是小力(F = JΔt)。图中的金色矩形画成面积即冲量始终不变:缩短接触时间滑块,宽度变窄多少,高度就升高多少;拉长它,矩形就变扁。矩形的高度就是力。安全气囊、软垫,以及从高处跳下时屈膝的动作,都是通过延长接触时间,用较小的力承受同样的冲量。反过来,用锤子钉钉子时,就把接触时间变得极短来获得大的力。

用按钮选择碰撞类型,上面一行是碰撞前,下面一行是碰撞后。碰撞前,蓝色小车向右驶来,撞上静止的、质量相同的橙色小车。选择“粘在一起”,两车合成一个金色整体,以一半的速度一起前进;选择“弹开”,蓝车停下,橙车以原来的速度驶出。无论哪种情况,下方读数都显示总动量与碰撞前完全相同。不同的是动能:粘在一起时有一半变成热、声音和形变而损失(非弹性碰撞),只有完全弹开时动能才全部保留(完全弹性碰撞)。动量总是守恒,动能则视情况而定,这是求解碰撞问题的出发点。

实际应用总结一下,冲量 J = F·Δt = Δp 是力在时间上的累积,它等于动量 p = mv 的变化。如果说能量是力×距离,那么动量就是力×时间。在不受外力的系统中总动量守恒,所以即使是碰撞、爆炸这样无法看清那一瞬间的事件,也能把前后联系起来。同样的冲量,延长接触时间就能减小力,这就是安全气囊的原理。碰撞问题的解法可以归结为两句话:没有外力时动量总是守恒;动能在弹性碰撞中守恒,在非弹性碰撞中减少。把两个式子联立,就能求出碰撞后的速度。下一讲深入研究碰撞,用恢复系数把弹性程度量化。
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