Transcript lnotes9.ppt

‫מערכות של חלקיקים‬
‫כאשר אתה קופץ קדימה‪ ,‬ראשך וגווך ינועו במסלול פרבולי‪ .‬לעומת זאת‪,‬‬
‫רקדנית בלט קופצת קדימה וראשה וגווה נעים בקו ישר אופקי‪ .‬היא כאילו‬
‫צפה לאורך הבמה‪.‬‬
‫איך היא מצליחה להיפטר‬
‫מהגרביטציה כך שראשה‬
‫נע בקו ישר?‬
‫חבטה בכדור בייסבול שולחת אותו לאוויר‬
‫במסלול פרבולי‬
‫לעומת זאת השלכת המחבט תגרום לתנועה‬
‫הרבה יותר מסובכת‪ .‬כל חלק מהמחבט נע‬
‫בתנועה שמשלבת תנועה בלסטית ותנועה‬
‫סיבובית‬
‫אבל ישנה נקודה‪ ,‬הקרויה מרכז‬
‫המסה‪ ,‬שממשיכה לנוע במסלול‬
‫פרבולי‪.‬‬
‫הנקודה הזאת נמצאת בערך‬
‫במרכז המחבט וניתן למצוא אותה‬
‫באופן ניסיוני ע"י איזון המחבט על‬
‫האצבע‪.‬‬
‫‪3-21‬‬
‫‪3-23a‬‬
‫‪3-23b‬‬
‫‪3-26‬‬
‫‪3-27‬‬
‫מרכז המסה‬
y
xcm = (m1x1 + m2x2) / (m1+ m2)
m1
m2
x1
x2
x
‫ובהכללה למספר רב של מסות‬
xcm = (mixi) / mi =( mixi) / M
‫בשלושה מימדים‪ ,‬אם חלקיק ‪ m i‬נמצא בנקודה ‪ ,ri‬וקטור מרכז המסה‬
‫יהיה‬
‫‪rcm = ( miri) / M‬‬
‫‪ycm = ( miyi) / M zcm = ( mizi) / M‬‬
‫‪xcm= ( mixi) / M‬‬
‫אם נתונה התחלקות רציפה של מסות‪ ,‬כמו למשל בגוף שאיננו נקודתי‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪xcm   xdm ycm   ydm z cm   zdm‬‬
‫‪M‬‬
‫‪M‬‬
‫‪M‬‬
‫ואם הגוף עשוי בצורה אחידה‪ ,‬ניתן לבצע סכימה על הנפח ולא על המסה‬
‫כיון שהצפיפות מצטמצמת‪.‬‬
‫‪M  V‬‬
‫הצפיפות מצטמצמת ואנו מסכמים רק על הנפח‬
‫‪1‬‬
‫‪z cm   zdV‬‬
‫‪V‬‬
‫‪1‬‬
‫‪y cm   ydV‬‬
‫‪V‬‬
‫מדיסקה אחידה ‪ P‬שרדיוסה ‪2R‬‬
‫חותכים דיסקה שרדיוסה ‪ .R‬היכן מרכז‬
‫המסה של ‪.P‬‬
‫‪1‬‬
‫‪xcm   xdV‬‬
‫‪V‬‬
‫‪2R‬‬
‫‪x‬‬
‫‪Pcm‬‬
‫‪P‬‬
‫‪R‬‬
‫מרכז המסה‪ ,‬בגלל הסימטריה‪ ,‬נמצא על ציר ה‪ .x-‬מרכז המסה של הדיסקה‬
‫המלאה נמצא במרכזה‪ .‬מרכז המסה של ‪ S‬נמצא במרכזה‪.‬‬
‫ניתן לראות את הדיסקה המלאה כמורכבת‬
‫מהדיסקה ‪ P‬ומהדיסקה החסרה החסרה ‪.S‬‬
‫‪S‬‬
‫‪m  m P  mS‬‬
‫‪P‬‬
‫המסות פרופורציוניות לשטח כל דיסקה‪.‬‬
‫‪m  K    (2R) 2‬‬
‫‪ms  K  π  R 2‬‬
‫‪m  m - m  K  π  3R 2‬‬
‫‪P‬‬
‫‪S‬‬
‫מרכז המסה של ‪ P‬נמצא בנקודה ‪ x‬שאינו ידוע‪ .‬אם נבחר את הראשית‬
‫במרכז הדיסקה הגדולה‬
‫)‪m p  x  m  (R‬‬
‫‪S‬‬
‫‪0‬‬
‫‪m m‬‬
‫‪P‬‬
‫‪S‬‬
‫‪2 R‬‬
‫‪‬‬
‫‪KR‬‬
‫‪xR S R‬‬
‫‪‬‬
‫‪2 3‬‬
‫‪m‬‬
‫‪3‬‬
‫‪‬‬
‫‪KR‬‬
‫‪P‬‬
‫‪m‬‬
‫‪x‬‬
‫‪P‬‬
‫‪S‬‬
‫חוק ‪ II‬של ניוטון למערכת של חלקיקים‬
‫כאשר כדור ביליארד פוגע בכדור שני‪ ,‬המערכת של שני הכדורים ממשיכה‬
‫לנוע קדימה‪ .‬אינך מצפה ששני הכדורים יחזרו כלפיך‪.‬‬
‫מה שממשיך לנוע ללא הפרעה‪ ,‬למרות ההתנגשות‪ ,‬היא נקודת מרכז‬
‫המסה‪ ,‬שבמקרה זה היא הנקודה האמצעית בין שתי המסות‪.‬‬
‫נבחר מערכת של ‪ n‬מסות בעלות מסות שונות ונבדוק את תנועת מרכז‬
‫המסה ולא את התנועה של כל מסה בנפרד‪.‬‬
‫מרכז המסה היא נקודה‪ ,‬והיא נעה כאילו כל המסה של המערכת מרוכזת‬
‫בה‪ .‬תנועתה נשלטת ע"י החוק‬
‫‪F net  Ma cm‬‬
‫למשואה הזאת יש אותה צורה כמו לחוק ‪ II‬של ניוטון‪ .‬צריך להבחין‬
‫בנקודות הבאות‪.‬‬
‫‪ Fnet .1‬הוא סכום הכוחות החיצוניים הפועלים על המערכת‪ .‬הכוחות‬
‫ההדדיים (פנימיים) אינן נכללים‪.‬‬
‫‪ M .2‬היא המסה הכוללת של כל המערכת‪ .‬אנו מניחים ששום מסה לא‬
‫נכנסת או יוצאת מהמערכת‪.‬‬
‫‪ acm .3‬היא תאוצת מרכז המסה של המערכת‪ .‬אין שום מידע על התאוצות‬
‫של המסות הבודדות‪.‬‬
‫משוואת התנועה היא בעצם ‪ 3‬משוואות‪.‬‬
‫‪Fnet,z  Ma net,z‬‬
‫‪Fnet,y  Ma net,y‬‬
‫‪Fnet,x  Ma net,x‬‬
‫נבחן את התנהגות כדורי הביליארד‪ .‬הכדור הראשון נע ללא השפעת כוחות‬
‫חיצוניים‪ .‬כלומר‪ ,‬תאוצת מרכז המסה היא אפס‪ .‬בהתנגשות עם הכדור השני‬
‫גם לא מעורבים כוחות חיצוניים ולכן למרכז המסה אין תאוצה‪ .‬הוא ימשיך‬
‫לנוע במהירות קבועה‪.‬‬
‫גם בגוף מוצק מתקיים החוק שלעיל‪ .‬מחבט הבייסבול נע תחת השפעת כוח‬
‫הגרביטציה כאילו כל המסה מרוכזת בנקודת מרכז המסה‪.‬‬
‫זיקוק שנורה במסלול פרבולי‬
‫מתפוצץ בנקודה מסוימת‪ .‬מרכז‬
‫המסה של הזיקוק ממשיך לנוע‬
‫במסלול שבו היה ממשיך לולא‬
‫התפוצץ‪.‬‬
‫כאשר רקדנית הבלט קופצת קדימה במשך הריקוד‪ ,‬היא‪ ,‬כלומר מרכז‬
‫המסה שלה‪ ,‬ינוע במסלול פרבולי‪.‬‬
‫ברגע עזיבת הבמה היא פורשת‬
‫ומרימה את רגליה וידיה‪ .‬את‬
‫הפעולה הזו עושים כוחות‬
‫פנימיים‪.‬‬
‫פעולה זו מרימה את מרכז המסה שלה‪ .‬בכל זאת הוא ממשיך לנוע במסלול‬
‫פרבולי‪ .‬עקב כך‪ ,‬יחסית לגוף‪ ,‬מוריד את הגובה שמושג ע"י ראשה וגווה‪.‬‬
‫התוצאה היא שראשה וגווה נע במסלול כמעט אופקי‪ ,‬ונותן את התחושה‬
‫של ריחוף‪.‬‬
‫הוכחת חוק ‪ II‬של ניוטון לגבי מערכת של חלקיקים‪.‬‬
‫‪Mrcm = m1r1 + m2r2 + m3r3 + ••••• + mnrn‬‬
‫גזירה לפי הזמן נותנת‬
‫‪Mvcm = m1v1 + m2v2 + m3v3 + ••••• + mnvn‬‬
‫וגזירה נוספת‬
‫‪Macm = m1a1 + m2a2 + m3a3 + ••••• + mnan‬‬
‫אבל ‪ miai‬הוא הכוח הפועל על חלקיק ‪.i‬‬
‫הכוח הזה כולל גם את הכוח הפנימי שחלקיק ‪ j‬מפעיל על חלקיק ‪ .i‬אלא‬
‫שלפי חוק ‪ III‬של ניוטון הם מתבטלים בזוגות‪ .‬ולכן‬
‫‪Macm = F1 + F2 + F3 + •••••+ Fn‬‬
‫כאשר ‪ Fi‬הוא הכוח החיצוני הפועל על חלקיק ‪.i‬‬
‫תנע קווי‬
‫התנע הקווי של חלקיק הוא וקטור שמוגדר‬
‫‪p  mv‬‬
‫כיון שהמסה תמיד חיובית כיוון התנע הוא בכיוון המהירות‪.‬‬
‫המילה קווי מושמטת לפעמים‪ .‬היא מתווספת בעיקר כדי להבדיל מן המושג‬
‫תנע זוויתי‪.‬‬
‫לתנע אין יחידות מיוחדות יחידת התנע תהיה‬
‫‪[mv] = kg•m/sec‬‬
‫ניוטון ניסח את החוק ה ‪ II‬כך‬
‫קצב ההשתנות בזמן של התנע של חלקיק שווה לכוח הנקי הפועל על‬
‫החלקיק ובכיוונו של אותו כוח‪.‬‬
‫‪dp‬‬
‫‪‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪F net‬‬
‫ואם המסה אינה תלויה במהירות‬
‫‪d‬‬
‫‪dv‬‬
‫‪ (m v)  m  ma‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪F net‬‬
‫תנע של מערכת של חלקיקים‬
‫נתונה מערכת של חלקיקים‪ ,‬כל אחד בעל מסה‪ ,‬מהירות ותנע קווי‪ .‬על‬
‫החלקיקים פועלים כוחות‪ ,‬חיצוניים או פנימיים ע"י חלקיקים אחרים‪.‬‬
‫התנע הקווי של כל המערכת יהיה‬
‫‪P  p  p  p    p‬‬
‫‪3‬‬
‫‪n‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪P  m v  m v  m v      mn vn‬‬
‫‪3‬‬
‫‪3‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫ומתוך הגדרת מרכז המסה‬
‫‪P  M Vcm‬‬
‫התנע הכללי של מערכת חלקיקים שווה למכפלת המסה הכוללת במהירות‬
‫מרכז המסה‪.‬‬
‫‪dP‬‬
‫‪dVcm‬‬
‫‪M‬‬
‫‪ Macm‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪dt‬‬
‫ולפי חוק ‪ II‬של ניוטון‬
‫‪dP‬‬
‫‪Fnet ‬‬
‫‪dt‬‬
‫כאשר ‪ Fnet‬הוא הכוח החיצוני הפועל על המערכת‪.‬‬
‫הציור משמאל מראה מכונית צעצוע‬
‫שמסתה ‪ 2‬ק"ג נוסעת בסיבוב‪ .‬לפני‬
‫הסיבוב מהירותה היא ‪ 0.5‬מטר לשניה‬
‫ואחרי הסיבוב היא נעה במהירות של ‪0.4‬‬
‫מטר לשניה‪.‬‬
‫מהו השינוי ‪ p‬בתנע המכונית כתוצאה‬
‫מהסיבוב‪.‬‬
‫‪vf = 0.4i‬‬
‫‪vi = -0.5j‬‬
‫‪pf = 0.8i‬‬
‫‪pi = -1.0j‬‬
‫‪-pi‬‬
‫‪p = pf – pi = 0.8i – (-1.0j) =0.8i +1.0j‬‬
‫‪p‬‬
‫‪pf‬‬
‫שימור התנע הקווי‬
‫נתונה מערכת סגורה ומבודדת‪ .‬התנע הכללי של המערכת אינו יכול‬
‫להשתנות‪.‬‬
‫מערכת מבודדת – לא פועלים כוחות חיצוניים‬
‫מערכת סגורה – שום חלקיק אינו נכנס או יוצא מהמערכת‪.‬‬
‫‪dP‬‬
‫‪Fnet ‬‬
‫‪0‬‬
‫‪dt‬‬
‫‪P  constant‬‬
‫‪Pf  Pi‬‬
‫התנע הכללי הקווי בזמן‬
‫התחלתי ‪ti‬‬
‫=‬
‫התנע הכללי הקווי בזמן מאוחר‬
‫יותר ‪tf‬‬
‫המשוואות הן משוואות וקטוריות ומתקיימות עבור כל רכיב בנפרד‪.‬‬
‫בזריקה בליסטית למשל כוח הגרביטציה פועל רק בכיוון אנכי ולכן התנע‬
‫האופקי נשאר קבוע‪.‬‬
‫ספינת חלל ותא מטען שמסתם ‪M‬‬
‫נעים יחד בחלל במהירות ‪ vi‬של‬
‫‪ 2100‬קמ"ש יחסית לשמש בכיוון‬
‫ציר ‪.x‬‬
‫תא המטען‪ ,‬שמסתו ‪ 20%‬ממסת‬
‫הרקיטה נפלט עקב פיצוץ‪ ,‬והספינה‬
‫נעה במהירות הגדולה ב‪ 500 -‬קמ"ש‬
‫מתא המטען‪.‬‬
‫מהי מהירות הספינה החדשה יחסית לשמש?‬
.‫ – מהירות הספינה ביחס לשמש‬vHS
.‫ – מהירות תא המטען ביחס לשמש‬vMS
Pi = Pf
Pi = Mvi
Pf = (0.2M)vMS + (0.8M)vHS
vHS = vrel + vMS = 500 + vMS
vMS = vHS - 500
Pf = 0.2M(vHS – 500) + 0.8M vHS
vHS = 2200 km/h
‫מערכות עם מסה משתנה ‪ -‬רקיטה‬
‫בניגוד לכותרת‪ ,‬מסת המערכת הכוללת את הרקיטה וחומר הדלק שנשרף‪,‬‬
‫נשאר קבוע‪ .‬מסת הרקיטה בלבד אינו קבוע‪ .‬למעשה רוב המסה ההתחלתית‬
‫של הרקיטה הוא חומר הדלק‪.‬‬
‫צופה במערכת אינרציאלית רואה רקיטה‬
‫בחלל שמסתה ‪ M‬טסה במהירות ‪.v‬‬
‫לאחר זמן ‪:dt‬‬
‫מהירות הרקיטה ‪v + dv‬‬
‫מסת הרקיטה ‪(dM < 0) M + dM‬‬
‫מהירות הגזים יחסית לצופה ‪U‬‬
‫מסת הגזים ‪-dM‬‬
‫בחלל אין כוחות חיצוניים ולכן יש שימור תנע בין המצב בזמן ‪ t‬ובזמן‬
‫‪.t+dt‬‬
‫‪Pf  Pi‬‬
‫)‪Mv  -dM U  (M  dM)(v  dv‬‬
‫‪v  dv  vrel  U‬‬
‫‪U  v  dv  vrel‬‬
‫אם המהירות היחסית בין הגזים‬
‫והרקיטה היא ‪.vrel‬‬
Mv  -dM(v  dv - vrel)  (M  dM)(v  dv)
Mv  -vdM - dMdv  vreldM  Mv  Mdv  vdM  dMdv
 vreldM  Mdv
dM
dv
- vrel
M
dt
dt
.R ‫ הוא קצב שריפת הדלק והוא קבוע‬- -dM/dt
‫ של‬II ‫ לכן המשואה האחרונה היא מעין חוק‬.‫ היא התאוצה‬- dv/dt
.‫ניוטון‬
Rvrel  Ma
.‫ קרוי הדחף של מנוע הרקיטה‬Rvrel ‫האבר‬
‫‪dM‬‬
‫‪dv  -vrel‬‬
‫‪M‬‬
‫‪dM‬‬
‫‪v dv  - v M M‬‬
‫‪Mi‬‬
‫‪vf  vi  vrel ln‬‬
‫‪Mf‬‬
‫‪f‬‬
‫‪v‬‬
‫‪M‬‬
‫‪f‬‬
‫‪rel‬‬
‫‪i‬‬
‫‪i‬‬
‫רקיטה שמסתה ההתחלתית היא ‪ 850‬ק"ג שורפת דלק בקצב של ‪ 2.3‬ק"ג‬
‫לשניה‪ .‬הגזים נפלטים במהירות של ‪ 2800‬מטר לשניה יחסית למנוע‬
‫הרקיטה‪.‬‬
‫‪ .1‬מהו כוח הדחף של מנוע הרקיטה‬
‫‪T = 2.3•2800 = 6400N‬‬
‫‪ .2‬מהי תאוצתה ההתחלתית של הרקיטה‪.‬‬
‫‪a = Rvrel / M = 2.3•2800/850 = 7.6 m/s2‬‬
‫כדי לשלוח את הרקיטה מעל פני כדור הארץ לחלל יש להעניק לה תאוצה‬
‫של לפחות ‪ .g‬כלומר כוח הדחף היה צריך להיות לפחות = ‪850•9.8‬‬
‫‪.8330N‬‬
‫נניח שהרקיטה נשלחה מספינת חלל בחלל‪ .‬המסה הסופית של הרקיטה‬
‫(אחרי ששרפה את כל הדלק) היא ‪ 180‬ק"ג‪ .‬מהי מהירותה הסופית ביחס‬
‫לספינת החלל בהנחה שהיא מאוד מסיבית ואינה משנה את מהירותה‪.‬‬
‫‪vf = vrel ln(Mi / Mf) = 2800 ln(850/180) = 4300 m/s‬‬