background image

 

301 

DYSKRETNY UKŁAD PUNKTÓW 

MATERIALNYCH

 

ŚRODEK MASY 
Przykład intuicyjny - 
gdzie znajduje się 
środek masy. ukł?  

a

m

1

 = 

a

2

 m

2

 

w ukł. współż. XY: 
(r

s

 - r

1

) m

1

 = (r

2

 - r

s

) m

2

 

r

s

m

1

 - r

1

m

1

 = r

2

m

2

 - r

s

m

2

 

r

s

m

1

 + r

s

m

2

= r

1

m

1

 + r

2

m

2

 

2

1

2

2

1

1

s

m

m

m

r

m

r

r

+

+

=

 
Dane: 
dyskretny ukł. pp mater. 
m

1

, m

2

, m

3

, ... , m

n

,    

1

r

r

,   

2

r

r

,  

3

r

r

, ... , 

n

r

r

,  

 
Tw.:      Środkiem masy ukł. pp materialnych nazywamy 
punkt, którego wektor wodzący 

s

r

r

 spełnia równanie: 

=

=

=

n

1

i

i

i

n

1

i

i

s

r

m

m

r

r

r

,  

=

==

=

=

==

=

⋅⋅⋅⋅

====

n

1

i

i

n

1

i

i

i

s

m

r

m

r

r

r

X

Y

Z

r

r

r

r

1

1

2

n

2

s

s

n

m

m

m

m

m

a

r

r

r

a

1

1

2

s

1

2

2

X

Y

background image

 

302 

X

Y

Z

r

s

s

r

dm

dV=dx dy dz

. .

Ponieważ:   

⋅⋅⋅⋅

++++

⋅⋅⋅⋅

++++

⋅⋅⋅⋅

====

k

z

j

y

i

x

r

s

r

r

v

r

 

=

==

=

=

==

=

⋅⋅⋅⋅

====

n

1

i

i

n

1

i

i

i

m

x

m

x

=

==

=

=

==

=

⋅⋅⋅⋅

====

n

1

i

i

n

1

i

i

i

m

y

m

y

,  

=

==

=

=

==

=

⋅⋅⋅⋅

====

n

1

i

i

n

1

i

i

i

m

z

m

z

 

 
Dla ciągłego rozkładu masy: 
 

∫∫∫∫

∫∫∫∫

∫∫∫∫

⋅⋅⋅⋅

====

⋅⋅⋅⋅

====

M

M

M

s

dm

r

M

1

dm

dm

r

r

r

r

r

 

 
 
 
 

W praktyce trudno całkować po masie 
                  dm → dV,  

dV

dm

V

M ====

====

ρρρρ

   →   

dV

dm

⋅⋅⋅⋅

ρρρρ

====

 

∫∫∫∫

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

ρρρρ

====

V

s

dV

r

M

1

r

r

r

 

∫∫∫∫

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

ρρρρ

====

V

s

dV

x

M

1

x

  

∫∫∫∫

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

ρρρρ

====

V

s

dV

y

M

1

y

 

 

∫∫∫∫

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

ρρρρ

====

V

s

dV

z

M

1

z

  

∫∫∫

ρ

=

z

,

y

,

x

s

dxdydz

x

M

1

x

.

 

Dla ρ=Const    

ρ

=

V

s

dV

r

M

r

r

r

 .

background image

 

303 

RUCH ŚRODKA MASY 
 

z def. ś.m.: 

=

==

=

⋅⋅⋅⋅

====

⋅⋅⋅⋅

n

1

i

i

i

s

r

m

M

r

r

r

  

dt

d

/

 

=

==

=

⋅⋅⋅⋅

====

⋅⋅⋅⋅

====

n

1

i

i

i

s

s

v

m

v

M

dt

r

d

M

r

r

r

 

  pęd środka masy = sumie pędów 

=

==

=

====

n

1

i

i

s

p

p

r

r

 

=

==

=

⋅⋅⋅⋅

====

⋅⋅⋅⋅

n

1

i

i

i

s

v

m

v

M

r

r

 /dt   zróżniczkujmy 

(

)

=

=

n

1

i

i

i

s

dt

v

m

d

dt

v

d

M

r

r

 

s

s

a

M

dt

v

d

M

r

r

=

,      

(

)

=

=

=

=

=

n

1

i

i

n

1

i

i

n

1

i

i

i

F

dt

p

d

dt

v

m

d

r

r

r

 

 
R-nie ruchu ś.m.: 

=

=

=

=

=

=

n

1

i

i

n

1

i

i

s

s

s

dt

p

d

F

dt

p

d

a

M

F

r

r

r

r

r

 

Suma wektorowa sił przyłożonych do poszczególnych 
punktów materialnych. 
Rodzaje sił działających na p. mat.: 
1. siły zewn.   

Zi

F

r

 

2. siły wewn.  

Wi

F

r

 

Równanie ruchu ś.m. można zatem zapisać: 

background image

 

304 

=

==

=

=

==

=

++++

====

⋅⋅⋅⋅

n

1

i

Wi

n

1

i

Zi

s

F

F

a

M

r

r

r

 

Siły wewn. to siły wzajemnego oddziaływania punktów na 
siebie. Jeśli pogrupujemy je w pary (dwójki), to zgodnie z 
III ZDN będą się parami znosić, a więc: 

        

0

F

n

1

i

Wi

====

=

==

=

r

  czyli:  

=

==

=

====

⋅⋅⋅⋅

n

1

i

Zi

s

F

a

M

r

r

 

 

=

=

=

=

=

=

n

1

i

i

n

1

i

Zi

s

s

s

dt

p

d

F

dt

p

d

a

M

F

r

r

r

r

r

 

 

To jest II ZDN dla dyskretnego układu punktów 

materialnych (II ZDN DUPM)

background image

 

305 

ZSADA ZACHOWANIA PĘDU  (ZZP)

 

 

wynika wprost z II ZDN: 

((((

))))

dt

v

m

d

dt

p

d

F

r

r

r

⋅⋅⋅⋅

====

====

 

 

   Gdy  

F

= 0

,   to    

d p

dt

= 0

,   czyli     

p

Const

=

 .  

Zasada zachowania pędu  (ZZP): 
 
ZZP:    pęd  punktu  materialnego,  na  który  nie  działa 
żadna siła jest wielkością stałą. 

background image

 

306 

ZASTOSOWANIE ZASADY ZACHOWANIA PĘDU 

 
ZDERZENIA 
ZZP  obowiązuje  w  każdym  procesie  fizycznym,  zarówno 
w  makro-świecie  (zjawiska  galaktyczne)  jak  i  mikro-
świecie (procesach jądrowych) i nie znane są odstępstwa. 
 
Najłatwiejszymi 

przykładami 

ilustrującymi 

ZZP 

są 

zderzenia: 
 
Zderzenia można podzielić: 
(I). ze względu na trajektorie ruchu na: 

a).  centralne  -  gdy  środki  kul  poruszają  się  po  tej 
samej prostej, 
b). niecentralne, 

(II). ze względu na spełnienie ZZEM na: 

a).  doskonale  sprężyste  -  gdy  cała  energia 

mechaniczna  zderzenia  zamienia  się  na  energię 
mechaniczną - spełnione są ZZEM + ZZP (+ZZE) 

b). niesprężyste - spełnione są ZZP (+ZZE), a nie jest 

spełniona ZZEM 

c).  doskonale  niesprężyste  -  ciała  po  zderzeniu 

poruszają  się  razem  -  spełnione  są  ZZP  (+ZZE),  a 
nie jest spełniona ZZEM. 

 
 

background image

 

307 

ZDERZENIA CENTRALNE, DOSKONALE SPRĘŻYSTE  

W PRZESTRZENI JEDNOWYMIAROWEJ 

    

Dane: masy kul m

1

 i m

2

, prędkości przed zderzeniem v

1

 i 

v

2

. Obl.: prędkości kul po zderzeniu v'

1

 i v'

2

 

przed zderzeniem:

po zderzeniu:

v

1

v'

1

v

2

v'

2

 

Stosujemy: 
ZZEM:       

=

'
k

k

E

E

ZZP:  

 

∑ ∑

=

'

p

p

r

r

ZZEM 

         

2

'

v

m

2

'

v

m

2

v

m

2

v

m

2
2

2

2

1

1

2
2

2

2

1

1

+

=

+

,     /·2  

ZZP:                  m

v

1

 + m

v

2

 = m

v'

1

 + m

v'

2

Przenieśmy m

1

 z lewej strony równań, a m

2

 z prawej: 

)

v

'

v

(

m

)

'

v

v

(

m

2
2

2
2

2

2

1

2

1

1

=

        m

(v

1

 – v'

1

) = m

(v'

2

 – v

1

).     (*) 

 

 

 

Dzieląc ww. równania stronami otrzymujemy: 

)

 v'

-

 

(v

)

 v'

 

(v

)

 v'

-

 

(v

)

 v'

-

 

(v

)

 v'

 

(v

)

 v'

-

 

(v

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

1

1

+

=

+

v

1

 + v'

1

 = v

2

 + v'

2

a po uporządkowaniu 

v'

2

 = v

1

 + v'

1

 – v

2

     (**) 

Obl v'

1

 odstawiając równanie **  do *: 

m

(v

1

 – v'

1

) = m

(v

1

 + v'

1

 – v

2

 – v

2

), 

m

v

1

 – m

v'

1

 = m

v

1

 + m

v'

1

 – 2 m

v

2

background image

 

308 

v

1

 (m

– m

2

) + 2 m

v

2

 = v'

1

 (m

+ m

2

). 

Ostatecznie otrzymujemy: 

2

2

1

2

1

2

1

2

1

1

v

m

m

m

2

v

m

m

m

m

'

v

+

+

+

=

2

2

1

1

2

1

2

1

1

2

v

m

m

m

m

v

m

m

m

2

'

v

+

+

+

=

 
Rozpatrzmy kilka przypadków szczególnych: 
● gdy  m

1

 = m

2

 = m

 

 

v

1

v'

1

v

2

przed zderzeniem:

po zderzeniu:

v'

2

 

        

1

V

r

          

2

V

r

             

'

1

V

r

          

'

2

V

r

 

2

1

'

1

v

m

2

m

2

v

m

2

m

m

v

+

=

,   

2

1

'
2

v

m

2

m

m

v

m

2

m

2

v

+

=

 
 
 v'

1

 = v

2

 

oraz  v'

2

 = v

1

 

czyli cząstki wymieniły się prędkościami. 

 
● gdy m

1

 = m

= m i  v

2

 = 0 (obydwa ww. przypadki): 1 stoi 

v

1

v'

1

v

2

przed zderzeniem:

po zderzeniu:

v'

2

=0

=0

 

=0

=0

background image

 

309 

( )

0

v

m

m

m

m

'

v

1

1

+

+

=

 oraz 

( )

0

v

m

m

m

2

'

v

1

2

+

+

=

 

v'

1

 = 0 oraz v'

2

 = v

1

  (wymiana prędkości) 

 
● gdy m

1

 = m

= m i  v

2

 =-v

1

   (kule uderzają w siebie z 

jednakowymi prędkościami skierowanymi przeciwnie): 

 

v

1

v'

1

v

2

przed zderzeniem:

po zderzeniu:

v'

2

 

 

(

)

1

1

1

1

v

v

m

m

m

2

v

m

m

m

m

'

v

=

+

+

+

=

(

)

1

1

1

2

v

v

m

m

m

m

v

m

m

m

2

'

v

=

+

+

+

=

odbicie z przeciwnymi prędkościami (wymiana prędkości). 
 

● gdy v

2

=0  i  

m

2

 >> m

1

 (duża nieruchoma masa) 

v

1

v'

1

przed zderzeniem:

po zderzeniu:

v'

2

v

2

=0

=0

 

 

0

v

m

m

'

v

1

2

1

m

2

1

m

1

+

+

=

,   oraz   

0

v

m

'

v

1

2

1

m

1

m

2

2

+

+

=

 

v'

1

 

 – v

1

 

 

oraz   

v'

2

 

 0 

background image

 

310 

odbicie m

1

 od nieruchomego olbrzyma ("zderzenie 

pijanego ze ścianą") 
Taka sytuacja zachodzi np. przy zderzeniu cząstki 
lekkiej z bardzo ciężką (spoczywającą) np. piłka 
uderza o ścianę. 

 

  gdy v

2

=0, ale sytuacja odwrotna m

2

 << 

m

1

v

1

v'

1

przed zderzeniem:

po zderzeniu:

v'

2

v

2

=0

 

v'

1

 

 v

1

   

oraz   

v'

2

 

 2 v

1

Prędkość cz. ciężkiej (padającej) prawie się nie 
zmienia. 

 

background image

 

311 

ZDERZENIA CENTRALNE, DOSKONALE 

NIESPRĘŻYSTE  

W PRZESTRZENI JEDNOWYMIAROWEJ.

  

 
Przy  zderzeniach 

niesprężystych

  energia  kinetyczna 

nie

 

jest

 zachowana. 

Różnica  energii  kinetycznej  (początek  –  koniec)  jest 
zamieniana w ciepło lub energię potencjalną deformacji. 

 
Przykład.   

Dane:  dwie  kule  z 

plasteliny

  o  masach: 

m

1

  i 

m

2

poruszające się z prędk. przed zderzeniem 

v

1

 i 

v

2

.  

Obl.:  (a). prędkości kul po zderzeniu 

v'

1

=

 

? i 

v'

=

 

 

(b). zmianę energii kinet. ∆E

k

 = ? 

 

przed zderzeniem:

po zderzeniu:

v

m

m

m  + m

1

1

2

2

1

v'

1

v

2

2

 

Stosujemy: 
ZZEM:       

nie jest spełniona 

ZZP:  

 

∑ ∑

=

'

p

p

r

r

 

ZZE:         

Q

2

'

v

)

m

m

(

2

v

m

2

v

m

2

12

2

1

2
2

2

2

1

1

+

+

=

+

 

m

v

1

 + m

v

2

 = (m

+ m

2

)

 

v'

12 

Q = ∆E

M

 = E

k1

 + E

k2

 –E'

k12 

2

1

2

2

1

1

12

m

m

v

m

v

m

'

v

+

+

=

 

background image

 

312 





+

+

+

=

2

1

2

2

2

1

1

2
2

2

2

1

1

M

m

m

)

v

m

v

m

(

v

m

v

m

2

1

E

(

)

(

)





+

+

+

+

+

=

2

1

2

2

2

1

1

2
2

2

1

2

2

1

2

1

1

M

m

m

)

v

m

v

m

(

v

m

m

m

v

m

m

m

2

1

E













++++

−−−−

⋅⋅⋅⋅

−−−−

⋅⋅⋅⋅

++++

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

++++

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

++++

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

====

2

1

2

1

2

1

2
2

2
2

2
2

2

1

2

1

2

1

2

1

2

1

M

m

m

...

v

m

v

m

v

m

m

v

m

m

v

m

2

1

E

 













⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

−−−−

⋅⋅⋅⋅

−−−−

...

v

v

m

m

2

v

m

...

2

1

2

1

2
2

2
2

 

Q

)

v

v

(

m

m

m

m

2

1

E

2

2

1

2

1

2

1

M

+

=

 

Rozpatrzmy przypadek szczególny: 

  gdy  m

1

 = m

2

 = m 

 oraz  v

1

 = –v

2

   i zał.  v

1

 = v  (czyli  v

2

 = –v), 

Obl. v'

12 

=? oraz ∆E

M

 =? 

przed zderzeniem:

po zderzeniu:

v

m

m

2m

1

v' =0

1

v

2

2

 

0

m

2

v

m

v

m

m

m

v

m

v

m

'

v

2

1

2

2

1

1

12

=

=

+

+

=

 

zatem  v'

12 

= 0  czyli kule zatrzymają się, 

∆E

M

 = m v

2

 

A co to znaczy? 

2

2

2

v

m

2

1

v

m

2

1

v

m

Q

+

=

=

 

lub inaczej       Q = (E

k

 1 kulki) + (E

k

 2 kulki) 

background image

 

313 

 
Wniosek:   

"Energia mechaniczna kul całkowicie 

zamieniła się w ciepło"

 

 
 

ZDERZENIA W TRZECH WYMIARACH 3-D 

 

 

Aby  rozwiązać  zagadnienie  3D  musimy  rozwiązać 

układ równań składający się z: 
ZZEM 

 

=

k

k

'

E

E

ZZP (kier X) 

=

x

x

'

p

p

ZZP (kier Y) 

=

y

y

'

p

p

ZZP (kier Z) 

=

z

z

'

p

p

 

 

ZASADA ZACHOWANIA PĘDU DLA 

DYSKRETNEGO UKŁADU PUNKTÓW 

MATERIALNYCH (ZZP DUPM) 

Wychodząc z II ZDN dla DUPM: 

=

=

=

n

i

1

i

s

zi

dt

p

d

F

r

r

gdy  

=

=

=

n

i

1

i

zi

0

F

r

   to   

0

dt

p

d

s

=

r

,   a zatem  

.

Const

p

s

=

r

 

 

ZZP: 
Gdy na dyskretny układ punktów materialnych nie 
działają żadne siły zewnętrzne, lub siły te równoważą 
się, to pęd środka masy układu odosobnionego jest 
stały.

 

 

background image

 

314 

 

 

ZASADA ZACHOWANIA PĘDU DLA UKŁADU 

ZE ZMIENNĄ MASĄ - NAPĘD ODRZUTOWY 

 

Dotychczas zajmowaliśmy się układami o stałej masie. 

Obecnie  zajmiemy  się  układami,  których  masa  zmienia 
się podczas obserwacji. 

= 0

V

K

V

U

V

Ł

 

Idea - ZZP:    

L

L

K

K

v

m

v

m

r

r

⋅⋅⋅⋅

====

⋅⋅⋅⋅

    

(gdzie Ł - łódka,  K - "Student") 
np: 

1.  odrzut karabinu, 
2.  samolot  odrzutowy  (wyrzut  sprężonych,  produktów 

spalania: paliwa i powietrza), 

3.  napęd  rakietowy  (j.w.,  ale  rakieta  wiezie  ze  sobą 

utleniacz O

2

). 

 

background image

 

315 

Przykład (K.R. 2.33) 

   Opisać:   
a) zmianę masy rakiety w czasie 

m

r

(t)=?

 oraz  

b) zmianę  prędkości  rakiety  lecącej  pionowo  w  górę 

v

r

(t)=?

   jeżeli dane są: 

m

ro

 - masa początkowa rakiety,    

u

  -  względna  w  stosunku  do  rakiety  prędkość 

wyrzucanych produktów spalania, 

µ

  -  szybkość  zużycia  produktów  spalania  =  szybkości 

zmiany (ubytku) masy rakiety  µ = dm

r

/dt [kg/s]. 

Założyć, że prędkość produktów spalania 

v

s

 = v

r

 – u

 jest 

stała w czasie 

v

s

(t)=Const

. Pominąć opór powietrza. 

Przyjmijmy  oznaczenia: 

r

  -  rakieta, 

s

  -  produkty  spalania 

(spaliny).   
 

(a)

.  Jeżeli w pewnym przedziale czasowym 

dt

  z rakiety wyrzucona zostaje masa 

dm

s

 z 

prędkością 

to masa rakiety maleje o 

dm

r

przy czym  

t

d

m

d

t

d

m

d

r

s

=

=

µ

 

t

m

t

dt

dm

m

)

t

(

m

m

0

r

r

0

r

r

r

µ

=

=

=

 

 
(b).

  Obl  

v

r

(t) = ?

 

F

r

 = F

s

 – F

G

     (*)   (inaczej 

= 0

F

i

r

Obl.: 

F

r

 =?,   F

s

=?,  F

G

=?

 

F

G

F

s

s

v

s

dm

background image

 

316 

)

v

m

(

dt

d

)

p

(

dt

d

F

r

r

r

r

=

=

 

dt

dv

m

v

dt

dm

F

r

r

r

r

r

++++

⋅⋅⋅⋅

====

 

)

p

(

dt

d

F

s

s

=

 znak (-) bo 

s

F

r

↑ w górę, a 

s

v

r

↓ w dół

 

=

=

)

v

m

(

dt

d

F

s

s

s

,   

ale v

s

=Const  oraz  v

s

 = v

r

 – u

 

dt

dm

)

u

v

(

dt

dm

v

F

r

r

s

s

s

=

=

 

dt

dm

)

u

v

(

F

r

r

s

=

 

g

m

F

r

G

=

 

 
Podstawiając w.w. składniki do (*)  (

F

r

 = F

s

 – F

G

): 

g

m

dt

dm

)

u

v

(

dt

dv

m

v

dt

dm

r

r

r

r

r

r

r

=

+

g

m

dt

dm

u

dt

dm

v

dt

dv

m

v

dt

dm

r

r

r

r

r

r

r

r

=

+

II ZDN dla ruchu rakiety:

  

g

m

dt

dm

u

dt

dv

m

r

r

r

r

=

 

g

m

dt

dm

u

dt

dv

m

r

r

r

r

=

   /·dt/m

r

 

dt

g

m

dm

u

dv

r

r

r

=

,     /

 

=

=

t

0

m

m

r

r

v

0

r

r

dt

g

m

dm

u

dv

v

r

0

r

r

t

0

m
m

r

r

]

t

g

)]

m

ln(

u

v

r

r

0

=

background image

 

317 

)

t

(

v

t

g

m

m

ln

u

v

r

0

r

r

r

=





=





=





r

0

r

0

r

r

m

m

ln

m

m

ln

 oraz 

t

m

m

0

r

r

µ

=

R-nie ruchu rakiety:

 

t

g

t

m

m

ln

u

)

t

(

v

0

r

0

r

r

⋅⋅⋅⋅

−−−−













⋅⋅⋅⋅

µ

µµ

µ

−−−−

⋅⋅⋅⋅

====

 

Przeanalizujmy to r-nie (warunki brzegowe): 

dla t=0  

0

0

g

m

m

ln

u

)

0

t

(

v

0

r

0

r

r

====

⋅⋅⋅⋅

−−−−













⋅⋅⋅⋅

====

====

  (

0

1

ln

a

a

ln

=

=

dla t ↑   

t

g

t

m

m

ln

u

)

t

(

v

0

r

0

r

r

⋅⋅⋅⋅

−−−−













⋅⋅⋅⋅

µ

µµ

µ

−−−−

⋅⋅⋅⋅

====

  

1 składnik -  r-nie typu:  

     

=

x

1

1

ln

y

  

  
 
2 składnik -  r-nie liniowe:  
    

x

a

y

=

 

 
 
 
RAZEM:  

x

a

x

1

1

ln

y

=

 

background image

 

318 

Przykład 

Obl. 

prędkość 

rakiety 

masie 

początkowej 

m

r0

=15 000 kg

,  gdy  szybkość  spalania  paliwa  wynosi 

µ=150 kg·s

-1

,  a  prędkość  wyrzucania  gazów  względem 

rakiety jest równa 

u=1500 m·s

-1

.  

t

g

t

m

m

ln

u

)

t

(

v

0

r

0

r

r

⋅⋅⋅⋅

−−−−













⋅⋅⋅⋅

µ

µµ

µ

−−−−

⋅⋅⋅⋅

====

 

t

s

m

81

,

9

t

s

kg

150

kg

15000

kg

15000

ln

s

m

1500

)

t

(

v

2

1

1

r





=

 

 

 

0

2000

4000

6000

1

21

41

61

81

101

t [s]

v

r(

t)

 [

m

/s

]

background image

 

319 

CZY TO JEST POPRAWNE? 

Przecież  rakieta  musi  posiadać  swoją  masę  własną,  np.: 
m

rw

=5000 kg 

 
powinno być: 

t

m

m

t

dt

dm

m

m

)

t

(

m

m

rw

0

r

r

rw

0

r

r

r

µ

=

=

=

 

t

g

m

m

m

ln

u

)

t

(

v

rw

0

r

r

r





=

 

t

g

t

m

m

m

m

ln

u

)

t

(

v

rw

0

r

rw

0

r

r





µ

=

 

t

s

m

81

,

9

t

s

kg

150

kg

5000

kg

15000

kg

5000

kg

15000

ln

s

m

150

)

t

(

v

2

1

1

r





=

 

 

0

2000

4000

6000

1

21

41

61

81

101

t [s]

v

r(

t)

 [

m

/s

]