background image

6/ 1

6.  Prawa zachowania  (5 stron)

Prawa  zachowania  to  prawa,  stwierdzające,  że  w  układzie  odosobnionym  pewne  wielkości
fizyczne  nie  ulegają  zmianie  w  czasie,  mając  zawsze  tę  samą  wartość  liczbową.
Najważniejsze  prawa  zachowania  dotyczą  pędu,  energii,  momentu  pędu,  ładunku
elektrycznego, liczby barionowej, liczby leptonowej. Wielkości te są stałe w każdym układzie
odosobnionym,  bez  względu  na  to  jakie  procesy  zachodzą  wewnątrz  tego  układu.  Są  to
wielkości zachowywane bezwzględnie.

Istnienie  praw  zachowania  jest  wyrazem  niezniszczalności  materii  w  różnych  jej  postaciach
oraz rozmaitych form jej ruchu. 

Zasady  zachowania  pozwalają  wydedukować  wiele  własności  układu  fizycznego  bez
rozwiązywania równań ruchu tego układu (równań Newtona, Maxwella czy Schrödingera).

6.1.   Zasada zachowania pędu

1.   Zasada zachowania pędu dla pojedynczej cząstki wynika z II zasady dynamiki,

gdy  

0

=

F



0

=

t

d

p

d



    czyli   



p

const

=

Gdy na cząstkę nie działa żadna siła lub suma działających sił jest równa zeru to pęd
cz
ąstki pozostaje stały.

2.

 

Zasada zachowania pędu dla układu n ciał, najlepiej punktów materialnych.

Za punkt materialny możemy uznać obiekt o określonej masie i rozmiarach na tyle małych, że nie
mają  one  wpływu,  lub  mają  bardzo  mały  (zaniebywalny)  wpływ,  na  rozpatrywane  zjawisko
fizyczne.
Na  każdy  punkt  materialny  rozpatrywanego  układu  mogą  działać  siły  wewnętrzne  i  siły
zewnętrzne. Siły wewnętrzne to siły działające na dany punkt w wyniku oddziaływania z innymi
punktami materialnymi tego samego układu. Siły zewnętrzne to wszystkie pozostałe siły.

Jeżeli na układ nie działają  żadne siły zewnętrzne,   lub  

=

=

n

1

i

)

z

(

i

0

F



 ,    to      

=

=

n

i

i

dt

p

d

1

0



Wynik ten dotyczy układu jako całości. Będzie on bardziej użyteczny jeżeli wprowadzimy
pojęcie środka masy.

 

Środek masy układu punktów materialnych definiujemy jako punkt, którego położenie

wyznaczone jest wektorem 

R



 takim, że

=

=

=

n

1

i

i

n

1

i

i

i

m

r

m

R





np. dla dwóch mas 

2

1

2

2

1

1

m

m

m

r

r

m

R

+

+

=







gdzie 

i

r



 wektory położenia punktów materialnych układu.

background image

6/ 2

Prędkość środka masy:

dt

R

d

V





=

oznaczając masę całego układu przez 

=

i

m

M

 otrzymujemy pęd środka masy

=

=

=

n

1

i

i

p

V

M

:

P







Pęśrodka masy jest równy całkowitemu pędowi wszystkich punktów materialnych wchodzących
w skład układu.

Środek masy porusza się w taki sposób, jak gdyby w nim była skupiona masa całego

układu i do niego była przyłożona suma wszystkich sił działających na układ.

Jeżeli  

0

)

(

=

z

i

F



,   to   

.

st

n

co

P





=

Zasada zachowania pędu:

Jeżeli suma sił zewnętrznych działających na układ jest równa zeru

to pęd układu nie ulega zmianie.

Ś

rodek masy porusza się wówczas ruchem jednostajnym prostoliniowym.

6.2.  Zasada zachowania momentu pędu

               

 Momentem  pędu  punktu  materialnego  względem  punktu  0,  leżącego  w  początku  układu
współrzędnych, nazywa się iloczyn wektorowy wektora położenia tego punktu przez wektor pędu







J

r

p

= ×

                 

[ ]



J

kg m

s

=

2

0

0

background image

6/ 3

Momentem  siły  względem  punktu  0  nazywa  się  iloczyn  wektorowy  wektora  położenia  punktu
materialnego przez wektor siły działającej na ten punkt

F

r

M







×

=

  

2

2

s

m

kg

]

M

[

=



Momentem  pędu  układu  punktów  materialnych  nazywa  się  sumę  momentów  pędu  wszystkich
punktów, oczywiście względem tego samego punktu 0

=

=

n

i

i

J

J

1





Można pokazać, że:

=

=

n

i

z

i

M

dt

J

d

1

)

(



     gdzie      

)

(

)

(

z

i

i

z

i

F

r

M





×

=

Wszystkie momenty sił muszą być liczone względem tego samego punktu !

Zasada zachowania momentu pędu :

Jeżeli całkowity moment sił zewnętrznych działających na układ jest równy zeru
to moment p
ędu układu nie ulega zmianie.

Dotyczy to układów, w których spełniona jest III zasada dynamiki Newtona, czyli takich, w których
siły  działające  między  dowolną  parą  cząstek  są  skierowane  wzdłuż  łączącej  je  prostej  i  spełniają
zasadę równej akcji i reakcji. W takim przypadku momenty sił znoszą się nawzajem.

Moment  pędu  układu  punktów  materialnych  względem  dowolnego,  ustalonego  punktu  można

traktować  jako  sumę  momentu  pędu  środka  masy    J

SM

    względem  tego  punktu    i  momentu  pędu

wszystkich punktów względem środka masy   J’.

'

J

J

J

SM







+

=

(Moment pędu układu zależy od wyboru punktu względem którego jest liczony.) 

6.3.   Zasada zachowania energii

Istnieje pewna wielkość, zwana energią, nie ulegająca zmianie podczas różnorodnych
przemian, które zachodz
ą w przyrodzie.

Energia może występować w żnych postaciach. Mamy energię potencjalną, energię kinetyczną,
grawitacyjną, sprężystą, cieplną, elektryczną, chemiczną, promienistą, jądrową i energię masy.

background image

6/ 4

1. Energia potencjalna

Polem  nazywa  się  obszar  przestrzeni,  w  którym  każdemu  punktowi  P  jest  jednoznacznie
przyporządkowana pewna wielkość A(P).

Pole jest stacjonarne jeżeli nie zmienia się w czasie.

Pole sił - obszar przestrzeni w którym każdemu punktowi przyporządkowany jest pewien wektor
określający, jaka siła działałaby na dane ciało gdyby umieszczono je w tym punkcie.

Praca wykonana przez siłę 

F

 przy przesunięciu ciała o element przyrostu drogi 

s

d

:

gdzie 

s

 jest na tyle małe, że 

.

const

F

=

  Jednostką pracy jest 1 Joule  [1J =1Nm]

Całkowita praca przy przesunięciu ciała z punktu A do punktu B

W ogólnym przypadku praca ta zależy od drogi po której przemieszcza się ciało:  W

s1 

 W

s2 

 W

s3

 .

Siły  których  praca  zależy  tylko  od  położenia  punktu  początkowego  i  końcowego,  a  nie  zależy  od
drogi  po  jakiej  została  wykonana,  nazywamy  siłami  zachowawczymi,  a  odpowiadające  im  pola
polami zachowawczymi. Przykładami sił zachowawczych są siły grawitacyjne i elektrostatyczne.

W zachowawczym polu sił praca po drodze zamkniętej jest równa zeru.

Ponieważ praca jest wielkością skalarną a jej wartość zależy tylko od współrzędnych punktów
początkowego i końcowego, to możemy określić pewną  funkcję skalarną V określoną we
wszystkich punktach pola taką, że

)

(

)

(

=

B

A

AB

r

V

r

V

W

lub w uproszczeniu  W

AB  

=  V

A   

-  V

B      

oraz

=

B

A

B

A

s

d

r

F

V

V







)

(

Dla punktów bardzo blisko położonych    dW= 

− 

dV          czyli    

dV

Fds

= −





podstawiając   

dz

z

dy

y

dx

x

s

d

ˆ

ˆ

ˆ

+

+

=

   otrzymuje się:

dV = - ( F

dx + F

dy + F

dz )

stąd            

)

ˆ

ˆ

ˆ

(

z

V

z

y

V

y

x

V

x

F

+

+

=

lub w postaci operatorowej        

V

z

z

y

y

x

x

F

)

ˆ

ˆ

ˆ

(

+

+

=

=

s

d

F

dW

=

0

)

(

s

d

r

F

=

B

A

AB

s

d

r

F

W

)

(

background image

6/ 5

Operator,  

)

ˆ

ˆ

ˆ

(

z

z

y

y

x

x

grad

+

+



 , nazywany gradientem,  przetwarza funkcje skalarną

w funkcję wektorową.

Mamy zatem        

)

(

)

(

=

r

V

grad

r

F

 Wielkość 

)

(

r

V

 nazywamy energią potencjalną,  a siłę 

)

(

)

(

=

r

gradV

r

F

 siłą potencjalną.

Energia potencjalna jest określona z dokładnością do stałej. Jeżeli do energii potencjalnej we
wszystkich punktach dodamy dowolną stałą  V’ = V + A   to  V

A

’ - V

B

’ = V

A

 - V

B

   V’  też spełnia

równanie 

AB

B

A

W

V

V

=

'

'

.

Ż

eby  energia potencjalna była określona jednoznacznie trzeba ustalić jej wartość w którymś

punkcie, np. przyjąć , że  V(

)= 0, wówczas energia potencjalna w punkcie A wynosi:

=

A

A

s

d

r

F

V







)

(

2. Energia kinetyczna

Jeżeli ciało o masie m porusza się z prędkością v to związana jest z tym pewna energia, nazywana

energią kinetyczną.

2

1

2

T

mv

=

Zasada zachowania energii mechanicznej

Jeżeli  siły  działające  na  każdy  z  punktów  materialnych  układu  odizolowanego  są  siłami
zachowawczymi to całkowita energia mechaniczna układu, 
T + V, nie ulega zmianie.

Gdzie T- oznacza sumę energii kinetycznych wszystkich punktów układu, a V sumę energii
potencjalnych.

Istnieje wiele sił dla których nie można określić potencjału:

 

siła Lorenza,

×

=

B

v

q

F

 , jest zawsze prostopadła do kierunku ruchu cząstki nie wykonuje więc

ż

adnej pracy 

 

siły niepotencjalne (siły tarcia i oporu ośrodka), które powodują straty energii mechanicznej.