Transcript lec3.ppt

‫חוק ההתמדה של גלילאי‬
‫וחוק שימור התנע‬
‫‪1‬‬
‫עיקרון ההתמדה של גלילאי‬
‫‪‬‬
‫חלקיק מבודד ינוע במהירות קבועה‪.‬‬
‫תוצאה מתחייבת משיקולי סימטריה בסיסיים‪:‬‬
‫המרחב הריק‬
‫(איזוטרופי)‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪2‬‬
‫הינו‬
‫אחיד‬
‫(הומוגני)‬
‫ושווה‬
‫כיוון‬
‫חלקיק רואה בכל נקודה של המרחב הריק סביבה זהה‬
‫ואין סיבה כלשהי שהוא ישנה את מצב תנועתו‪.‬‬
‫לכאורה עיקרון גלילאי נוגד את הניסיון מחיי היום יום‪.‬‬
‫חלקיק שנע על גב משטח מאט‪ ,‬מהירותו קטנה וסופו‬
‫שהוא נעצר‪ .‬אבל‪ ,‬אם נעצר משמע שהוא אינו מבודד‬
‫מסביבתו‪.‬‬
‫עיקרון גלילאי‬
‫‪‬‬
‫חלקיק שיורד במדרון מאיץ את מהירותו‪.‬‬
‫‪m‬‬
‫‪V ‬‬
‫‪ s ‬‬
‫)‪t(s‬‬
‫‪‬‬
‫חלקיק שעולה במדרון מאט את מהירותו‪.‬‬
‫‪m‬‬
‫‪V ‬‬
‫‪ s ‬‬
‫‪3‬‬
‫)‪t(s‬‬
‫‪‬‬
‫תנועה על משטח אופקי הינה מקרה ביניים בין שני‬
‫המקרים הקיצוניים הנ"ל וטבעי להניח שעל מישור‬
‫החלקיק ינוע במהירות קצובה‪.‬‬
‫‪m‬‬
‫‪V ‬‬
‫‪ s ‬‬
‫)‪t(s‬‬
‫‪4‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪5‬‬
‫שינוי מצב התנועה של הגוף אפשרי אם ורק אם יש‬
‫אינטראקציה בין הגוף לבין סביבתו‪ ,‬במילים אחרות רק‬
‫אם הסביבה מפעילה כוח על החלקיק‪ .‬לעת עתה נסתפק‬
‫בהגדרה איכותית של הכוח כדחיפה או משיכה‪.‬‬
‫מה קובע את היכולת של הגוף להתמיד במצב תנועתו?‬
‫והאם ניתן לכמת תכונה זו? ננסה לענות על השאלות‬
‫האלה בצורה אמפירית‪.‬‬
‫שני הגופים שווים בצורתם‪ ,‬עשויים מחומרים שונים‬
‫כדור עופרת‬
‫כדור פינג‪-‬פונג‬
‫קל לשנות את מצב התנועה של כדור הפינג‪-‬פונג‪,‬‬
‫קשה יותר לשנות את מצב התנועה של כדור העופרת‪.‬‬
‫‪‬‬
‫מן הניסיון‪ :‬ככל שגוף כבד יותר כך קשה יותר לשנות את מצב‬
‫תנועתו‪.‬‬
‫לגופים תכונה פנימית התמד (אינרציה) אשר מסיבות‬
‫היסטוריות נקרא לה מסה ואשר מבטאת את התנגדותם‬
‫לשינוי מצב תנועתם‪.‬‬
‫‪‬‬
‫‪6‬‬
‫מהירותו של גוף קובעת את מידת התנגדותו לשינוי מצב‬
‫תנועתו‪ .‬שני כדורי עופרת זהים‪ ,‬שלאחד מהירות גדולה‬
‫ולשני מהירות קטנה‪ ,‬הניסיון מראה שקשה יותר לשנות את‬
‫מצב תנועתו של הכדור שמהירותו גדולה יותר‪.‬‬
‫כך קליע שנורה מרובה נע במהירויות גבוהות ‪,)~1000(m/s‬‬
‫יכול לחדור דרך שמשה תוך כדי שינוי מזערי במהירותו‪.‬‬
‫לעומת זאת אם נזרוק קליע כזה במהירות קטנה הוא לא‬
‫יחדור את השמשה‪.‬‬
‫‪‬‬
‫נסכם‪ :‬כושרו של גוף להתמיד במצב תנועתו הוא פונקציה‬
‫של‪:‬‬
‫מסתו – תכונה פנימית )‪(m‬‬
‫מהירותו – תכונה חיצונית )‪(v‬‬
‫נקרא לפונקציה הזאת תנע ליניארי או תנע ונסמנה ע"י‬
‫)‪p = p(m,v‬‬
‫‪‬‬
‫‪7‬‬
‫‪ -p‬פונקציה וקטורית‪ .‬לעת עתה נצמצם את הדיון לתנועה‬
‫חד‪-‬ממדית ונתעלם מן הכיוון‪.‬‬
‫התנגשות‬
‫בהתנגשות בין שני חלקיקים נבחין בין "קלע" ובין "מטרה"‪.‬‬
‫לאחר ההתנגשות הגופים מתפזרים וממשיכים לנוע בנפרד‪.‬‬
‫התנגשויות בין שני גופים מאפשרות את כמות התנועה‪.‬‬
‫‪u1‬‬
‫‪v2‬‬
‫מטרה‬
‫‪8‬‬
‫‪v1‬‬
‫קלע‬
‫‪u2‬‬
‫כמות התנועה‬
‫במערכת מבודדת של שני גופים (אין השפעות חיצוניות)‬
‫המערכת כמכלול אחד אינה משנה מצב תנועתה‪ .‬שינויים‬
‫במצב התנועה של הגופים נובעים מן האינטראקציה ביניהם‪.‬‬
‫‪u1‬‬
‫‪v2‬‬
‫מטרה‬
‫‪9‬‬
‫‪v1‬‬
‫קלע‬
‫‪u2‬‬
‫בהתנגשות בין שני גופים זהים בצורתם שעשויים מחומרים‬
‫שונים – גוף קל ישנה מצב תנועתו במידה גדולה יותר‪ .‬גוף‬
‫כבד ישנה מצב תנועתו במידה מועטה‪.‬‬
‫מסה גדולה – ‪" M‬מנצחת" מסה קטנה ‪.m‬‬
‫‪10‬‬
‫בהתנגשות בין שני גופים זהים (מסה‪ ,‬צורה‪ ,‬חומר)‬
‫גוף שמהירותו גדולה יותר " מנצח"‬
‫הגוף שמהירותו קטנה ישנה את מצב תנועתו במידה גדולה‬
‫יותר‪.‬‬
‫‪11‬‬
12
‫כמות התנועה (המשך)‬
‫התנגשות דביקה לאחר ההתנגשות הגופים נעים‬
‫ביחד כגוף אחד‪.‬‬
‫‪v1‬‬
‫‪v2‬‬
‫‪ ‬התנגשות חזיתית – הגופים נעים אחד לעומת‬
‫השני‪.‬תנועה חד ממדית‪.‬‬
‫‪13‬‬
‫כמות התנועה (המשך)‬
‫בהתנגשות חזיתית ודביקה בין שני גופים זהים‪( .‬מהירות‪,‬‬
‫מסה וצורה) שני הגופים ימצאו במנוחה לאחר ההתנגשות‪.‬‬
‫שני הגופים נעים על מסילה ישרה במהירות שווה‪.‬‬
‫‪vL  v R‬‬
‫‪vR‬‬
‫‪vL‬‬
‫מצב התחלתי‪ :‬לא ניתן להבחין בין שני הגופים; אם נחליף בין‬
‫שני הכדורים המצב ההתחלתי לא ישתנה‪ .‬אין כוון מועדף‪.‬‬
‫‪14‬‬
‫כמות התנועה (המשך)‬
‫בהתנגשות חזיתית ודביקה בין שני גופים זהים‪( .‬מהירות‪,‬‬
‫מסה וצורה) שני הגופים ימצאו במנוחה לאחר ההתנגשות‪.‬‬
‫שני הגופים נעים על מסילה ישרה במהירות שווה‪.‬‬
‫‪vL  v R‬‬
‫‪vR‬‬
‫‪vL‬‬
‫מצב התחלתי‪ :‬לא ניתן להבחין בין שני הגופים; אם נחליף בין‬
‫שני הכדורים המצב ההתחלתי לא ישתנה‪ .‬אין כוון מועדף‪.‬‬
‫‪15‬‬
‫‪vL  v R‬‬
‫‪vR‬‬
‫‪vL‬‬
‫אם נסובב את המסילה ב‪ 180o -‬שוב נקבל חלקיק שנע‬
‫שמאלה וחלקיק שנע ימינה במהירויות שוות וקיים ‪:‬‬
‫‪vL = - vR‬‬
‫‪16‬‬
‫כמות התנועה (המשך)‬
‫מצב סופי‪ :‬מאחר והמערכת מבודדת גם במצב הסופי (לאחר‬
‫ההתנגשות) בהכרח שלא יהיה כוון מועדף‪ .‬גם במצב הסופי‬
‫א"א להבחין בין כוון ימין לכוון שמאל‪ .‬אחרת אם המכלול של‬
‫שני הגופים ינוע‪ ,‬יהיה כיוון תנועתו כיוון מועדף‪ ,‬בניגוד למה‬
‫שהונח לגבי המצב ההתחלתי‪ .‬לכן‪:‬‬
‫במצב הסופי שני הגופים חייבים להיות במצב של מנוחה‪.‬‬
‫‪17‬‬
‫קציבת מסה ותנע לא ידועים‬
‫הגדרה אמפירית של שוויון בין מסות‪ :‬שתי מסות‬
‫שוות‪ ,‬אם בהתנגשות חזיתית ודביקה בין שני גופים‬
‫שנעים במהירויות שוות תהיה המהירות הסופית‬
‫שווה לאפס‪.‬‬
‫‪vL  v R‬‬
‫‪vR‬‬
‫‪18‬‬
‫‪vL‬‬
‫קציבת מסה ותנע לא ידועים‬
‫נכין מראש שני עצמים שווי מסה – העתקים זהים של אותו‬
‫גוף ונאמת שהן שוות בהתנגשות חזיתית ודביקה‪ .‬גופים אלו‬
‫ישמשו כמסות תקן‪.‬‬
‫יחידת תקן של תנע בכיוון מוגדר נגדיר לפי‪:‬‬
‫{ יח' מסה תקנית } } יח' מהירות } = {יח' תקן של תנע}‬
‫‪19‬‬
vL  v R
M=m
vR
vL
M
m
20
vL  v R
M>m
vR
vL
M
m
21
vL  v R
M<m
vR
vL
M
m
22
‫קביעת מסה לא ידועה ‪ M‬לפי‪ :‬אם שתי המסות ינועו‬
‫ביחד ימינה ‪M > ms ‬‬
‫נוסיף מסות ‪ ms‬עד שנגיע למצב שבו שתי המסות‬
‫במנוחה במצב זה‬
‫‪M = n ms‬‬
‫‪ n‬מספר המסות הדרושות למצב מנוחה‬
‫‪23‬‬
‫קציבת מסה ותנע לא ידועים‬
‫‪‬‬
‫לא ידוע לפי‪:‬‬
‫תנע‬
‫קביעת‬
‫‪p‬‬
‫‪s‬‬
‫‪ms‬‬
‫‪P‬‬
‫‪M‬‬
‫‪ ‬אם במצב הסופי שתי המסות במנוחה ‪P = ps ‬‬
‫אחרת נוסיף ‪ ps‬מימין עד שיושג מצב מנוחה = ‪P‬‬
‫‪nps‬‬
‫‪p  m,v   mf  v   mv‬‬
‫‪m1 v 2‬‬
‫‪v1‬‬
‫=‬
‫‪m2‬‬
‫‪p  mv‬‬
‫‪ n‬מספר הסטנדרטים שמתאים למצב סופי של‬
‫מנוחה‪.‬‬
‫‪24‬‬
p R = -pL
pL
pR
25
p R < -pL
PL
pR
26
p R > -pL
PL
PR
27
‫מניסיונות כאלה ‪ :‬יחס המהירויות שווה להיפוך יחס‬
‫המסות‪:‬‬
‫‪m1‬‬
‫‪v2‬‬
‫=‬
‫‪m2‬‬
‫‪v1‬‬
‫הפונקציה הפשוטה ביותר שמסבירה את הקשר בין‬
‫יחס המסות ליחס המהירות‪:‬‬
‫‪p  m,v  = m f  v  = m v‬‬
‫‪p  mv‬‬
‫‪28‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪29‬‬
‫המסה הנה איזוטרופית ‪ m -‬גודל סקלרי‪.‬‬
‫המסה היא אדיטיבית ‪ -‬המסה הכוללת של שני‬
‫גופים שמסותיהם ‪ m1‬ו‪ m2 -‬שווה לסכום המסות‬
‫‪.m1 +m2‬‬
‫שימור המסה ‪ -‬מסה של מערכת מבודדת נשמרת‪.‬‬
‫חוק שימור המסה הנו חוק מקורב‪.‬‬
‫קציבת מסה ותנע לא ידועים‬
‫‪‬‬
‫אם מערכת מבודדת משמרת את המסה שלה ועפ"י חוק‬
‫גלילאי היא נעה במהירות קבועה נוכל לנסח את חוק‬
‫ההתמדה באופן‪:‬‬
‫מערכת מבודדת משמרת את התנע הליניארי‬
‫‪m‬‬
‫‪1‬‬
‫‪m2‬‬
‫‪p  const‬‬
‫‪‬‬
‫למערכת מבודדת שמורכבת משני חלקים או יותר יתקיים‬
‫‪N‬‬
‫‪p   pi  const‬‬
‫‪30‬‬
‫‪i 1‬‬
‫חוק שמור התנע בהתנגשות דביקה‬
‫‪‬‬
‫התנגשות בין קליע לבין ארגז חול‬
‫‪p‬‬
‫‪p‬‬
‫קליע‬
‫מטרה במנוחה‬
‫‪p‬‬
‫‪31‬‬
‫‪i‬‬
‫‪p‬‬
‫‪p‬‬
‫‪i‬‬
‫‪p‬‬
‫חוק שמור התנע בהתנגשות דביקה‬
‫התפוצצות של גוף במנוחה לשני חלקים‬
‫‪p1‬‬
‫מצב‬
‫התחלתי‬
‫‪0‬‬
‫‪32‬‬
‫‪p‬‬
‫‪i‬‬
‫‪p2‬‬
‫‪p0‬‬
‫הגדרה פורמאלית של תנע ליניארי‬
‫הכוח שפועל על החלקיק מוגדר כקצב‬
‫השינוי של תנע החלקיק‪.‬‬
‫הגדרת הכוח כנ"ל ידועה בשם החוק‬
‫השני של ניוטון‪.‬‬
‫‪p‬‬
‫= ‪F av‬‬
‫‪Δt‬‬
‫‪dp‬‬
‫=‪F‬‬
‫‪dt‬‬
‫כיוון שהזמן הוא סקלר‪ ,‬הרי שהכוח הנו גודל מאותו סוג כמו‬
‫התנע‪ ,‬כלומר וקטור‪.‬‬
‫אם נתון התנע כפונקציה של הזמן‪ ,‬כי אז הכוח שפועל על‬
‫החלקיק הנו הנגזרת של לפי הזמן‪.‬‬
‫‪33‬‬
‫חוק שימור התנע – דוגמא ‪1‬‬
‫שאלה‪ :‬גוף תקן שמסתו ‪ m0 = 1.0kg‬מתנגש חזיתית‬
‫במהירות ‪ v0 = 3 m/s‬בגוף שני במנוחה שמסתו אינה ידועה‪.‬‬
‫הגופים נדבקו עקב ההתנגשות והוסיפו לנוע במהירות‬
‫‪ . v = 0.5 m/s‬מצא את מסת גוף המטרה‪.‬‬
‫תשובה‪ :‬מחוק שימור התנע ‪:‬‬
‫‪m0 v0 = (m0 + m) v‬‬
‫)‪m = m0 ( v0 / v - 1‬‬
‫‪m = 1.0 (3 / 0.5 – 1) = 5 kg‬‬
‫‪34‬‬
‫חוק שימור התנע – דוגמא ‪2‬‬
‫שאלה‪ :‬גוף ‪ A‬שמסתו ‪ mA = 120kg‬נע במהירות ‪vA= 3m/s‬‬
‫ומתנגש חזיתית בגוף ‪ B‬שמסתו ‪ mB = 40kg‬ומהירותו‬
‫‪ vB= 9m/s‬בכיוון ההפוך‪ .‬בהנחה שההתנגשות הנה דביקה‬
‫הראה שמהירותם אחרי ההתנגשות הינה אפס‪.‬‬
‫תשובה‪ :‬מחוק שימור התנע‬
‫‪mA vA + mB vB = 120 kg 3 m/s + 40 kg (-9 m/s) = 0‬‬
‫‪35‬‬
‫חוק שימור התנע – דוגמא ‪3‬‬
‫שאלה‪ :‬אסטרונאוט נע בחלל באמצעות אקדח שפולט מולקולות‬
‫חמצן מהירות‪ .‬מסת האסטרונאוט על ציודו הינה ‪ma = 100kg‬‬
‫מהירות המולקולות ביחס לאקדח (ולמעשה ביחס לחללית) הינה‬
‫‪ . vg = 630m/s‬האקדח פולט חמצן בקצב ‪.dm/dt = 14 g/s‬‬
‫האסטרונאוט נמצא במנוחה ביחס לחללית אך מנותק ממנה‪.‬‬
‫חשב מהירותו הסופית ביחס לחללית כעבור ‪ 10s‬מהפעלת‬
‫האקדח‪.‬‬
‫‪36‬‬
‫חוק שימור התנע – דוגמא ‪3‬‬
‫תשובה‪ :‬לפני הפעלת האקדח האסטרונאוט וציודו במנוחה ביחס‬
‫לחללית ולכן‪ . p = pa + pg = 0 :‬משימור התנע לאחר הפעלת‬
‫האקדח‪:‬‬
‫‪p ' = ma u a + mg u g = 0‬‬
‫‪mg‬‬
‫‪dm‬‬
‫ = ‪ua‬‬‫ = ‪ug‬‬‫‪Δt v g‬‬
‫‪ma‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪1‬‬
‫‪m‬‬
‫‪3 kg‬‬
‫=‬‫‪14 10‬‬
‫‪10s 630‬‬
‫‪100kg‬‬
‫‪s‬‬
‫‪s‬‬
‫‪37‬‬
‫‪m‬‬
‫‪= 0.882‬‬
‫‪s‬‬
‫חוק שימור התנע – דוגמא ‪4‬‬
‫שאלה‪ :‬רקטה משוגרת מתחנת חלל‪ .‬מסתה ההתחלתית ‪.mi‬‬
‫מסתה ומהירותה לאחר שאזל הדלק הן ‪ mf‬ו‪ .vf -‬חשב את‬
‫מהירות הרקטה כפונקציה של הזמן ואת מהירותה הסופית ‪.vf‬‬
‫תשובה‪ :‬נניח כי לרקטה אין נחירי היגוי אלא רק נחירי הנעה‪.‬‬
‫אזי נוכל לראות את התנועה כחד‪-‬ממדית‪ .‬במרווח זמן‬
‫אינפיניטסימאלי (‪ )t, t + dt‬אפשר לראות את הרקטה ואת‬
‫הגזים הנפלטים ממנה כמערכת מבודדת המשמרת תנע‪.‬‬
‫כ‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪d p =d p r + p g = d p r + d p g‬‬
‫‪38‬‬
‫‪1‬‬
4 ‫חוק שימור התנע – דוגמא‬
:‫נחשב את השינוי בתנע של הרקטה ושל הכגז‬
 2

dp r = mdv - dmv  t  + o dm 2

m  t+dt  v  t+dt   m  t  v  t 



=  m-dm   v  t  +dv  - m  t  v  t  


= m  t  dv - dmv  t  + dmdv

 3
dpg =  U  dm 
39
‫חוק שימור התנע – דוגמא ‪4‬‬
‫נציב את (‪ )3(,)2‬בחוק שימור התנע (‪ )1‬ונקבל את‬
‫משוואת התנועה של הרקטה‬
‫‪mdv + udm = 0‬‬
‫‪ 4‬‬
‫‪mdv - vdm + Udm = 0 ‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪mdv + (U - v) dm = 0 ‬‬
‫‪u = U - v‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪40‬‬
4 ‫דוגמא‬-‫חוק שימור התנע‬
dm
dv = - u
m
t
t
dm
dv
=
u
t
t m
i
i
:‫ ולכן‬.‫אם מהירות הגז הנפלט קבועה‬
v  t  - v  ti 
 mi 
= u ln 

 mf 
41
‫חוק שימור התנע‪-‬דוגמא ‪4‬‬
‫‪‬‬
‫‪‬‬
‫‪42‬‬
‫המהירות הסופית תלויה לוגריתמית ביחס המסה‬
‫התחילית למסה הסופית‪ .‬לפיכך אי אפשר להשיג מהירות‬
‫סופית גדולה בסדר גודל ממהירות הפליטה‪ .‬מהירות‬
‫הפליטה היא אפוא גורם בעל חשיבות גדולה בקביעת‬
‫המהירות הסופית של הרקטה‪ .‬היא תלויה בסוג הדלק‪,‬‬
‫דלקים נמוכי מסה מולקולארית יניבו מהירות פליטה‬
‫גבוהה יותר‪ .‬מבחינה זו מימן הוא דלק עדיף‪.‬‬
‫רקטה אידיאלית תפלוט חלקיקים חסרי מסה (פוטונים‬
‫למשל)‪ .‬במקרה שכזה מהירות הפליטה שווה למהירות‬
‫האור‪ .‬אבל‪ ,‬עבור רקטה כזו נצטרך לתקן את משוואות‬
‫התנועה‪ .‬עם זאת המסקנות מחישובינו ישארו בעינן‪.‬‬