If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Какво са импулс (на тяло) и импулс на сила?

Научи какво са импулс на тяло и импулс на сила, както и как са свързани със силата.

Какво е импулс (на тяло)?

Импулсът е дума, която често използваме в ежедневието си. Често чуваме, че спортни отбори или политически кандидати имат „голям импулс“. В този контекст се има предвид, че те са имали много скорошни успехи и на съперниците им ще им е трудно да променят тази траектория. Това е значението на този термин и във физиката, макар там да трябва да сме много по-точни с определенията.
Импулсът е мярка за движеща се маса: какво количество маса е в какво количество движение. Обикновено се обозначава със символа p.
По определение имаме p=mv.
Тук m е масата и v е скоростта. Стандартната мерна единица за импулс е kgm/s и той винаги е векторна величина. Това просто равенство показва, че ако увеличим двойно масата или скоростта на един предмет, това ще удвои импулса му.
Полезно свойство на импулса е неговата връзка със силата. Вероятно си спомняш от кинематичните уравнения, че промяната на скоростта Δv може да бъде представена и като aΔt.
Виждаме, че всяка промяна на импулса поради ускорение може да се запише като
Δp=mΔv=maΔt=FΔt

Какво е импулс на сила?

Импулсът на сила е величина, показваща общия ефект на действие на една сила спрямо времето. Той се отбелязва със символа J и се измерва в нютон-секунди.
За постоянна сила имаме J=FΔt.
Както видяхме по-рано, това е равно на промяната на импулса Δp. Това равенство е известно като Теорема за промяната на количеството движение в системата или Теорема за кинетичния импулс. Чрез теоремата за импулса можем да направим пряка връзка между действието във времето на дадена сила върху обекта и неговото движение.
Една от причините импулсът на силата да е важен и полезен в реалния живот е, че силите често не са постоянни. Силите, причинени от хора или двигатели например, обикновено нарастват от нула и могат да варират през времето поради множество фактори. Директното търсене на цялостния ефект на тези сили може да е доста трудно.
Когато изчисляваме импулса, умножаваме сила по време. Това е равносилно на намиране на площта под графиката на силата и времето. Това става полезно, защото така тази площ може еднакво лесно да се намери както за сложни форми – при променлива сила – така и за обикновения правоъгълник – при постоянна сила. За разбиране на импулсното движение на обект е от значение само крайният сумарен импулс.
Идеята за импулса на силата, който бива външен и вътрешен за системата, е основна за разбирането на запазването на импулса.

Импулс в Космоса

Повечето хора са виждали астронавтите да работят в орбита. Изглежда сякаш бутат свободно летящи предмети без усилия. Това е така, защото астронавтите и обектите, с които те работят, са в режим на свободно падане, те не трябва да се справят със силата на гравитацията. Обаче тежките движещи се обекти притежават същия импулс, какъвто имат и на Земята, и може да бъде еднакво трудно да се промени този импулс.
Да предположим, че се случи авария в една космическа станция и астронавт трябва ръчно да премести свободно летяща космическа капсула с маса 4000 kg далеч от докинг зоната. На Земята астронавтът знае, че може да носи товар от 50 kg над себе си в продължение на 3 секунди. Колко бързо ще успее да премести капсулата?
Първо пресмятаме общия импулс, който астронавтът може да приложи. Обърни внимание, че тя бута вертикално и в двата случая, затова няма нужда да следим за посоката на силата.
J=(mg)Δt=50 kg9,81 m/s23 s=1471,5 Ns
Чрез теоремата за импулса можем да намерим скоростта на космическия кораб:
1471,5 Ns4000 kg=0,37 m/s

Какво е специфичен импулс?

Специфичен импулс—ISP—е спецификация, която често се дава на двигатели, които произвеждат тяга. Двигателите на самолетите и ракетните двигатели са два често срещани примера. В този контекст специфичен импулс е мярка за ефикасността на използване на гориво за създаване на тяга и е една от най-важните спецификации за подобни двигатели.
Когато се използва представката относителен (специфичен), това означава "отнасящ се към, специфичен за" определено количество. Относителна плътност и специфичен топлинен капацитет са два примера за това. Специфичен импулс е импулсът, измерен спрямо тежестта на горивото (на Земята), използвано за произвеждане на импулса.
ISP=FΔtmгоривоg
Тъй като разделяме импулс на сила – силата върху горивото от земната гравитация – мерните единици на силата се съкращават, а единиците за специфичен импулс са просто секунди.
Една ракета може да има специфичен импулс от 300 s. Това означава, че тя може да използва гориво, тежащо 1 N, за да произведе тяга от 1 N за 300 s. В практиката ракетата може да има някаква минимална тяга, например 100 N. В този случай може да използва гориво, тежащо 1 N, за да произведе тяга от 100 N за 3 s.

Импулс на самолет

Самолет Boeing 747 има четири двигателя, всеки от които може да произведе тяга до 250 kN. Отнема около 30 s за самолета да достигне скорост на излитане. Тягата, произведена от двигателите при излитане, е представена по-долу от кривата на графиката сила-време.
Тяга на двигател CF6 по време на излитане на Boeing 747 [1]
Упражнение 1a: Колко е общият импулс, произведен от самолета при достигане на скоростта на излитане?
Упражнение 1b: Специфичният импулс на самолетните двигатели се знае, че е около 6000 s. Колко килограма гориво са изгорени, за да може самолетът да достигне скоростта на излитане?

Източници

  1. Данни от (a) W.A. Fasching 9/1979 NASA-CR-159564 CF6 Jet Engine Performance Improvement Program (b) Project for the Sustainable Development of Heathrow, Ch 3 – Emission Sources. 7/2006.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.