Transcript lec10.ppt

‫התנגשויות‬
‫הפיסיקאי רונלד מקנייר‪ ,‬שנהרג בהתפוצצות‬
‫הצ’לנג’ר‪ ,‬היה גם בעל חגורה שחורה‪.‬‬
‫בתמונה הוא שובר כמה בלוקי רצפה במכה‬
‫אחת‪ .‬בהדגמה כזו‪ ,‬משתמשים בלוח מעץ‬
‫אורן או בבלוק‪ .‬כאשר מכים בלוח‪ ,‬הוא‬
‫מתעקם ואוגר אנרגיה אלסטית כקפיץ‬
‫מתוח‪ ,‬עד אשר אנרגיה קריטית מושגת‪ .‬אז‬
‫נשבר הלוח‪ .‬האנרגיה הדרושה לשבור את‬
‫הלוח היא פי ‪ 3‬מאשר זו הדרושה לשבור‬
‫את הבלוק‪.‬‬
‫מדוע אם כן יותר קל‬
‫לשבור את הלוח?‬
‫מהי התנגשות?‬
‫בחיי יום יום אנו פוגשים כל הזמן בהתנגשויות‪ ,‬בין שני כדורי ביליארד או‬
‫בין פטיש ומסמר או בין שתי מכוניות‪ .‬בפיסיקה סקלת ההתנגשויות משתנה‬
‫מגודל אסטרונומי למיקרוסקופי‪.‬‬
‫דוגמה להתנגשות היא בור‬
‫שנוצר לפני ‪ 20 000‬שנים‬
‫ע"י פגיעת מטאור באריזונה‪.‬‬
‫רוחבו ‪ 1200‬מטר ועומקו‬
‫‪ 200‬מטר‪.‬‬
‫דוגמה נוספת‪ ,‬הפעם בקנה מידה‬
‫מיקרוסקופי‪ ,‬היא התנגשות בין‬
‫חלקיק ‪ ‬הבא משמאל (מסלול‬
‫צהוב) ובין גרעין חנקן נייח‪ .‬החלקיק‬
‫נרתע והחנקן נע ימינה ולמטה‬
‫(מסלול אדום)‪.‬‬
‫עוד דוגמה מחיי יום יום היא מגע בין‬
‫כדור טניס ומחבט טניס בזמן משחק‪.‬‬
‫המגע נמשך בערך ‪4‬‬
‫מילישניות )‪ .(ms‬כלומר במשך‬
‫מערכה אחת‪ ,‬זמן המגע הכולל הוא‬
‫בערך שניה‪.‬‬
‫התנגשות היא אירוע מבודד שבו שני גופים (או יותר) מפעילים כוחות‬
‫חזקים אחד על השני במשך זמן קצר יחסית‪.‬‬
‫שני גופים נעים לפני ההתנגשות‪:‬‬
‫מתנגשים (מפעילים כוח זה על זה)‪:‬‬
‫ואחר כך נפרדים‪:‬‬
‫הערות‬
‫‪ .1‬הגופים יכולים לנוע באותו כיוון‪ .‬הם גם יכולים לנוע יחד או רק אחד‬
‫מהם יכול לנוע‪.‬‬
‫‪ .2‬לא חייב להיות מגע בין הגופים בזמן התנגשות‪ .‬חללית שנשלחת‬
‫לירח עושה סיבוב סביבו‪ ,‬משנה את כיוונה וחוזרת לכדור הארץ‪ ,‬וגם זו‬
‫התנגשות‪.‬‬
‫מתקף ותנע קווי‬
‫)‪F(t‬‬
‫בזמן ההתנגשות פועל זוג כוחות )‪ F(t‬ו‪ -F(t) -‬בין‬
‫הגופים‪ ,‬לפי החוק ה‪ III-‬של ניוטון‪ .‬וכל כוח משנה את‬
‫התנע הקווי של הגוף עליו הוא פועל‪.‬‬
‫)‪-F(t‬‬
‫שינוי התנע יהיה תלוי לא רק בכוח אלא גם במשך פעולת הכוח‪ .‬מתוך‬
‫החוק ה‪ II-‬של ניוטון בהחילו על הגוף הימני לומדים‬
‫‪tf‬‬
‫‪F  d p dt d p  F(t)dt J  pfin  pin   F(t)dt‬‬
‫‪ti‬‬
‫מתקף‪:‬‬
‫‪R‬‬
‫‪L‬‬
‫)‪F(t‬‬
‫)‪-F(t‬‬
‫‪Favg‬‬
‫הכוח הפועל בזמן ההתנגשות אינו ידוע אפילו אם משך פעולתו ידוע‪.‬‬
‫אפשר להגדיר את הכוח הממוצע בעזרת המתקף‪.‬‬
‫‪J  FavgΔt‬‬
‫‪Δp  pf  pi  J‬‬
‫‪ p  Jx‬‬
‫‪fx‬‬
‫‪ix‬‬
‫‪Δp y  p  p  J y‬‬
‫זוהי משואה וקטורית ולכן‬
‫‪fy‬‬
‫‪iy‬‬
‫‪Δpz  p  p  J z‬‬
‫‪fz‬‬
‫‪iz‬‬
‫צנחן‪ ,‬שמצנחו לא נפתח‪ ,‬נופל על שלג ואינו נפגע‪ .‬אילו היה נוחת על‬
‫האדמה היה זמן העצירה שלו מתקצר פי ‪ .10‬האם נוכחות השלג מגדיל‪,‬‬
‫מקטין או אינו משנה את‬
‫‪Δp x  p‬‬
‫‪ .1‬שינוי התנע של הצנחן?‬
‫‪ .2‬את המתקף העוצר אותו?‬
‫‪ .3‬את הכוח העוצר אותו?‬
‫סדרה של התנגשויות‪:‬‬
‫נתון גוף שעובר סדרה של התנגשויות זהות חוזרות (מכונת ירייה יורה צרור‬
‫ארוך של כדורים למטרה)‪ .‬כל התנגשות מפעילה כוח על המטרה‪.‬‬
‫מטרתנו לחשב את הכוח הממוצע ‪ Favg‬הפועל במשך מספר רב של‬
‫התנגשויות‪.‬‬
‫‪v‬‬
‫אלומה של מסות שוות ‪ m‬בעלות תנע ‪mv‬‬
‫נעות לאורך ציר ה‪ x-‬ופוגעות במטרה‪.‬‬
‫‪ n‬הוא מספר המסות הפוגעות במשך זמן ‪.t‬‬
‫השינוי הכללי בתנע במשך זמן ‪ t‬יהיה ‪ .np‬זהו גם השינוי במתקף של‬
‫האלומה‪.‬‬
‫השינוי בתנע של המטרה ‪J = -n p‬‬
‫‪Δp‬‬
‫‪n‬‬
‫‪Δt‬‬
‫‪‬‬
‫‪J‬‬
‫‪Δt‬‬
‫‪n‬‬
‫‪  m Δv‬‬
‫‪Δt‬‬
‫‪Favg ‬‬
‫‪Favg‬‬
‫‪ M=nm‬היא המסה הכוללת הפוגעת במטרה במשך זמן ‪:t‬‬
‫‪Δv‬‬
‫‪Favg  M‬‬
‫‪Δt‬‬
‫כדור בייסבול שמסתו ‪ 140‬גרם נע במהירות ‪ m/s 39‬ונחבט במחבט‪ .‬הכדור‬
‫עוזב את המחבט במהירות ‪ m/s 45‬ובזוית עילית של ‪ 30‬מעלות‪ .‬מהו‬
‫המתקף על הכדור?‬
‫‪J  p  p  mv  mv‬‬
‫‪f‬‬
‫‪i‬‬
‫‪f‬‬
‫‪i‬‬
‫‪J‬‬
‫‪Jx  0.140  [45 cos30  (39)]  10.92‬‬
‫‪Jy  0.140[45 sin 30  0]  3.150‬‬
‫‪J  10.9i  3.15 j kg  m s‬‬
‫‪J  Jx  Jy 2  11.4‬‬
‫‪2‬‬
‫‪θ  tan 1 Jy Jx   16‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫תנע ואנרגיה קינטית בהתנגשויות‬
‫בהתנגשות של שני גופים‪ ,‬לפחות אחד מהם צריך לנוע‪ .‬לכן יש למערכת‬
‫אנרגיה קינטית ותנע לפני ההתנגשות‪ .‬במשך ההתנגשות הערכים משתנים‬
‫ע"י המתקף של גוף אחד על השני‪ .‬נטפל בשינויים הללו במערכת סגורה‬
‫ומבודדת‪ .‬כל זה ללא ידיעת פרטי ההתנגשות‪.‬‬
‫בהתנגשות אלסטית בין גופים האנרגיה הקינטית הכללית של המערכת‬
‫נשמרת‪ .‬יתכן מעבר אנרגיה בין שני הגופים‪.‬‬
‫התנגשות אלסטית לגמרי נדירה בחיי יום יום‪ .‬עצם העובדה ששומעים את‬
‫ההתנגשות משמעותה שכמות מסוימת של האנרגיה הקינטית נהפכה‬
‫לאנרגיה של גלי קול‪ .‬התנגשות בין חלקיקים בסקלה אטומית היא התנגשות‬
‫אלסטית‪.‬‬
‫בהתנגשות אי‪-‬אלסטית אי אפשר להתעלם מאיבוד‬
‫האנרגיה הקינטית‪ .‬במקרה הקיצוני‪ ,‬כל האנרגיה‬
‫הקינטית הולכת לאיבוד‪.‬‬
‫לעומת זאת‪ ,‬התנע הכללי של הגופים המשתתפים‬
‫בהתנגשות אינו משתנה כיון שהמערכת סגורה‬
‫ומבודדת‪ ,‬ללא קשר לסוג ההתנגשות‪.‬‬
‫‪Pf = Pi‬‬
‫התנע של כל חלק בנפרד אינו נשמר‪.‬‬
‫התנגשות אי‪-‬אלסטית בממד אחד‪:‬‬
‫‪p1i + p2i = p1f + p2f‬‬
‫לפני‬
‫‪v2i‬‬
‫‪x‬‬
‫‪m2‬‬
‫‪m1v1i + m2v2i = m1v1f + m2v2f‬‬
‫‪m2‬‬
‫מקרה פרטי הוא בו מסה אחת במנוחה ולאחר‬
‫ההתנגשות שתי המסות נדבקות ונעות יחד‪:‬‬
‫‪v1f‬‬
‫‪m1‬‬
‫לפני‬
‫‪x‬‬
‫‪m1v1i = (m1 + m2)V‬‬
‫‪m‬‬
‫‪1 v‬‬
‫‪V‬‬
‫‪m  m 1i‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪m1‬‬
‫אחרי‬
‫‪v2f‬‬
‫‪x‬‬
‫‪v1i‬‬
‫אחרי‬
‫‪v2i= 0‬‬
‫‪v1i‬‬
‫‪m2‬‬
‫‪m1‬‬
‫‪V‬‬
‫‪x‬‬
‫‪m1+m2‬‬
‫מהירות מרכז המסה‬
‫במערכת סגורה ומבודדת מהירות מרכז‬
‫המסה אינה משתנה עקב התנגשות‪.‬‬
‫‪p p m v m v‬‬
‫‪1 1‬‬
‫‪2 2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪m v m v‬‬
‫‪2 2‬‬
‫‪M 1 1‬‬
‫‪m m‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪ MVcm‬‬
‫מומחה קרטה שובר במכת אגרוף (מסה של ‪ 0.70‬ק"ג) לוח עץ שמשקלו‬
‫‪ 0.14‬ק"ג‪ .‬הוא עושה את אותו הדבר לבלוק מלא שמשקלו ‪ 3.2‬ק"ג‪ .‬הם‬
‫נשברים כאשר ההטיה ‪ d‬היא של ‪ 16‬מ"מ עבור הלוח או של ‪ 1.1‬מ"מ עבור‬
‫הבלוק‪.‬‬
‫נתון‪ k = 4.1 x 104 N/M :‬עבור הלוח‬
‫‪ k = 2.6 x 106 N/M‬עבור הבלוק‬
‫‪ .1‬כמה אנרגיה נאגרת בגוף לפני השבירה?‬
‫‪U =(½)kd2‬‬
‫עבור הלוח‬
‫‪U  5.2J‬‬
‫עבור הבלוק‬
‫‪U  1.6J‬‬
‫‪ .2‬מהי מהירות האגרוף הדרושה לשבירה?‬
‫הפתרון מניח את ההנחות הבאות‪:‬‬
‫א‪ .‬ההתנגשות היא בין האגרוף לגוף בלבד ואי‪-‬‬
‫אלסטית לחלוטין‪.‬‬
‫ב‪ .‬הכיפוף מתחיל מיד עם ההתנגשות‪.‬‬
‫ג‪ .‬אנרגיה מכאנית נשמרת מתחילת הכיפוף עד‬
‫הרגע לפני השבירה‪ .‬באותו רגע המהירות זניחה‪.‬‬
‫אנרגיה קינטית מועברת למערכת אגרוף‪-‬גוף‪.‬‬
‫לאחר מכן היא נהפכת לאנרגיה פוטנציאלית‪.‬‬
‫הגוף נשבר כאשר האנרגיה גדולה מ‪.U-‬‬
‫‪m‬‬
‫‪1 v‬‬
‫‪v‬‬
‫‪m  m fist‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫עבור הלוח ‪U  5.2J‬‬
‫עבור הבלוק ‪U  1.6J‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪(m  m )v  U‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2 1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪v‬‬
‫‪‬‬
‫) ‪2U(m  m‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪fist m1‬‬
‫עבור הלוח‬
‫‪vfist = 4.2 m/s‬‬
‫עבור הבלוק‬
‫‪vfist = 5.0 m/s‬‬
‫שבירת הלוח דורשת יותר אנרגיה‪ .‬אבל יותר קל לשבור אותו‪ ,‬כי אין צורך‬
‫במהירות אגרוף כל‪-‬כך גדולה‪ .‬הסיבה היא המסה‪ .‬ככל שהמסה יותר קטנה‪,‬‬
‫המהירות הניתנת לגוף היא יותר גדולה‪ .‬כלומר כמות יותר גדולה מאנרגית‬
‫האגרוף עוברת לגוף‪.‬‬
‫התנגשות אלסטית בממד אחד‬
‫בהתנגשות אלסטית האנרגיה הקינטית הכללית של המערכת איננה‬
‫משתנה‪.‬‬
‫לפני‬
‫מטרה נייחת‪:‬‬
‫‪v2i= 0‬‬
‫קליע‪m1 -‬‬
‫‪x‬‬
‫מטרה‪m2 -‬‬
‫‪v2f‬‬
‫‪x‬‬
‫‪m v m v m v‬‬
‫‪1 1i‬‬
‫‪1 1f‬‬
‫‪2 2f‬‬
‫‪m2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪mv  mv  m v 2‬‬
‫‪2 1 1i 2 1 1f‬‬
‫‪2 2 2f‬‬
‫‪m2‬‬
‫אחרי‬
‫‪v1i‬‬
‫‪m1‬‬
‫‪v1f‬‬
‫‪m1‬‬
m (v  v )  m v
1 1i 1f
2 2f
m (v  v )(v  v )  m v 2
1 1i 1f 1i 1f
2 2f
m m
2v
v  1
1f m  m 1i
1
2
2m
1 v
v 
2f m  m 1i
1
2
m1 =m2 .1
v1f = 0
v2f =v1i
‫ הקליע נעצר והמטרה נעה במהירות‬.‫הגופים מחליפים את תפקידם‬
.‫הקליע‬
‫‪ .2‬מטרה מסיבית ) ‪:(m1<<m2‬‬
‫‪v1f  -v1i‬‬
‫‪v2f  (2m1/m2)v1i‬‬
‫הקליע נרתע אחורה במהירות המקורית‬
‫והמטרה נעה קדימה במהירות נמוכה‪.‬‬
‫‪m m‬‬
‫‪2v‬‬
‫‪v  1‬‬
‫‪1f m  m 1i‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2m‬‬
‫‪1 v‬‬
‫‪v ‬‬
‫‪2f m  m 1i‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪ .3‬קליע מסיבי ) ‪:(m1>>m2‬‬
‫‪v2f  2v1i‬‬
‫‪v1f  v1i‬‬
‫הקליע ממשיך לנוע כאילו לא קרה לו כלום והמטרה נעה קדימה‬
‫במהירות כפולה‪.‬‬
‫‪2v‬‬
‫‪v=0‬‬
‫‪v‬‬
‫‪v‬‬
‫‪v‬‬
‫‪v‬‬
:‫מטרה נעה‬
m v m v m v m v
1 1i
2 2i
1 1f
2 2f
m (v  v )  m (v  v )
1 1i 1f
2 2i
2f
‫לפני‬
v1i
v2i
m1
x
m2
1
1
1
2
2
2
1
mv  m v
 mv  m v 2
2 1 lf
2 1 li 2 2 2i
2 2 2f
m (v  v )(v  v )  m (v  v )(v  v )
1 1i 1f 1i 1f
2 2i 2f 2i
2f
m m
2m
2v 
2 v
v  1
1f m  m 1i m  m 2i
1
2
1
2
2m
m m
1 v  2
1v
v 
2f m  m 1i m  m 2i
1
2
1
2
v1f
m1
‫אחרי‬
v2f
m2
x
‫התנגשויות בשני ממדים‬
‫‪2f‬‬
‫‪P‬‬
‫‪1f‬‬
‫‪P‬‬
‫‪2i‬‬
‫‪P‬‬
‫‪1i‬‬
‫‪P‬‬
‫‪v2f‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪ 2‬נעלמים ומשואה אחת ‪ -‬אין אפשרות לפתרון‬
‫אלא בעזרת משואה נוספת‪.‬‬
‫‪m2‬‬
‫‪v1f‬‬
‫בהתנגשות אלסטית (מקרה פרטי)‪:‬‬
‫ציר ‪x‬‬
‫ציר ‪y‬‬
‫אנרגיה‬
‫קינטית‬
‫‪m v  m v cosθ  m v cosθ‬‬
‫‪1 li‬‬
‫‪1 1f‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2 2f‬‬
‫‪2‬‬
‫‪0  m v sin θ  m v sin θ‬‬
‫‪1 1f‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2 2f‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪mv  mv  m v 2‬‬
‫‪2 1 1i 2 1 1f‬‬
‫‪2 2 2f‬‬
‫‪m1 v1i‬‬
‫שני מחליקים נעים מתנגשים‪ ,‬מתחבקים‬
‫וממשיכים לנוע יחד‪.‬‬
‫‪V‬‬
‫‪vA‬‬
‫‪‬‬
‫אלפרד‪ ,‬שמסתו ‪ 83‬ק"ג‪ ,‬נע מזרחה במהירות‬
‫של ‪ 6.2‬קמ"ש‪.‬‬
‫ברברה‪ ,‬שמסתה ‪ 55‬ק"ג‪ ,‬נעה צפונה‬
‫במהירות של ‪ 7.8‬קמ"ש‪.‬‬
‫מהי תמועתם אחרי ההתנגשות?‬
‫‪m v  m v  (m  m )V‬‬
‫‪A A‬‬
‫‪B B‬‬
‫‪A‬‬
‫‪B‬‬
‫‪m v m v‬‬
‫‪B B‬‬
‫‪V A A‬‬
‫‪m m‬‬
‫‪A‬‬
‫‪B‬‬
‫‪mA‬‬
‫‪vB‬‬
‫‪mB‬‬
V
vA
mA

V
vB
mB
m A v A  m B (0)  (m A  m B )Vcosθ
m A (0)  m B v B  (m A  m B )Vsinθ
mB vB
tanθ 
 0.834
mA vA

θ  40
mB vB
V
(m A v A  m B v B )sinθ
V  4.86 km/h
.‫ היא גם מהירות מרכז המסה לפני ואחרי ההתנגשות‬V