Номер 2, страница 152 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Механика. 4. Законы сохранения. Параграф 34. Абсолютно неупругое и абсолютно упругое столкновения. Творческие задания - номер 2, страница 152.

Условие.

2. Подготовьте доклад «Закон сохранения импульса в живой и неживой природе».

Решение.

Закон сохранения импульса является одним из фундаментальных законов физики. Он утверждает, что для любой замкнутой системы тел (то есть системы, на которую не действуют внешние силы или их действие скомпенсировано) векторная сумма импульсов всех тел, входящих в систему, остается постоянной. Иными словами, импульс замкнутой системы сохраняется.

Импульс тела (или количество движения) — это векторная физическая величина, равная произведению массы тела $m$ на его скорость $\vec{v}$. Формула импульса: $ \vec{p} = m\vec{v} $.

Для замкнутой системы из $n$ тел закон сохранения импульса записывается так:

$ \vec{p_1} + \vec{p_2} + ... + \vec{p_n} = \text{const} $

Этот закон универсален и находит свое проявление как в явлениях неживой природы, так и в жизнедеятельности живых организмов.

Закон сохранения импульса в неживой природе

В неживой природе действие закона сохранения импульса проявляется повсеместно, от движения элементарных частиц до взаимодействия галактик. Наиболее наглядными примерами являются реактивное движение и столкновения тел.

1. Реактивное движение. Это движение возникает, когда от тела отделяется и движется с некоторой скоростью какая-либо его часть. Классический пример — полет ракеты. Горячие газы, образующиеся при сгорании топлива, выбрасываются из сопла с огромной скоростью $\vec{u}$. Согласно закону сохранения импульса, ракета получает импульс, равный по модулю и противоположный по направлению импульсу газов, и начинает двигаться в противоположную сторону со скоростью $\vec{V}$. Если до старта система «ракета + топливо» покоилась (суммарный импульс был равен нулю), то после запуска двигателя суммарный импульс системы «ракета + выброшенные газы» также должен оставаться равным нулю: $ M\vec{V} + m\vec{u} = 0 $, где $M$ — масса ракеты, а $m$ — масса газов. Отсюда скорость ракеты $ \vec{V} = -\frac{m}{M}\vec{u} $.

2. Отдача при выстреле. При выстреле из огнестрельного оружия (ружья, пушки) пуля или снаряд вылетает из ствола со значительной скоростью, обладая импульсом $ m_п\vec{v_п} $. В соответствии с законом сохранения импульса, оружие получает отдачу — оно движется в противоположном направлении с импульсом $ m_о\vec{v_о} $. Так как до выстрела система «оружие-пуля» находилась в покое, ее суммарный импульс был равен нулю. Следовательно, и после выстрела он должен остаться нулевым: $ m_п\vec{v_п} + m_о\vec{v_о} = 0 $. Из этого следует, что импульс оружия равен по модулю импульсу пули, но направлен в противоположную сторону.

3. Соударения тел. При столкновении двух бильярдных шаров, автомобилей или любых других объектов выполняется закон сохранения импульса. Суммарный импульс всех тел до их взаимодействия равен суммарному импульсу после взаимодействия. Это позволяет предсказывать результат столкновений, что крайне важно в физике и инженерии.

Ответ: В неживой природе закон сохранения импульса проявляется в таких явлениях, как реактивное движение (полет ракет), отдача оружия при выстреле и столкновения различных тел. Во всех этих случаях суммарный импульс замкнутой системы тел до взаимодействия равен суммарному импульсу после взаимодействия.

Закон сохранения импульса в живой природе

Многие живые организмы в процессе эволюции «научились» использовать закон сохранения импульса для своего передвижения. В основе их движения также лежит принцип реактивного движения.

1. Движение головоногих моллюсков и медуз. Кальмары, осьминоги, каракатицы и медузы являются яркими примерами использования реактивной тяги в животном мире. Они набирают воду в мантийную полость, а затем резко выбрасывают струю воды через специальный сифон. Выбрасываемая вода создает реактивную силу, которая толкает животное в противоположном направлении. Регулируя направление сифона, они могут маневрировать и развивать большую скорость, спасаясь от хищников или преследуя добычу.

2. Передвижение личинок стрекоз. Личинки стрекоз, обитающие в пресных водоемах, также передвигаются за счет реактивной силы. В случае опасности они с силой выталкивают воду из своей прямой кишки, что позволяет им совершать резкие и быстрые рывки.

3. Полет птиц и насекомых. Во время полета птица или насекомое взмахами крыльев отбрасывает массу воздуха вниз и назад. Этот воздух получает определенный импульс. В соответствии с законом сохранения импульса, само животное получает равный по величине и противоположный по направлению импульс, который направлен вверх и вперед. Этот импульс компенсирует силу тяжести и сообщает телу поступательное движение.

4. Прыжки. Когда человек или животное отталкивается от поверхности для прыжка, оно сообщает импульс не только своему телу (вверх), но и всей планете Земля (вниз). Суммарный импульс системы «прыгун + Земля» остается равным нулю (если до прыжка система покоилась). Однако из-за колоссальной массы Земли ее скорость, полученная в результате толчка, ничтожно мала и незаметна.

Ответ: В живой природе закон сохранения импульса лежит в основе способа передвижения многих организмов. Реактивное движение активно используют морские обитатели (кальмары, медузы) и личинки насекомых. Также этот закон проявляется при полете птиц и прыжках животных, где движение создается за счет отбрасывания массы (воздуха или опоры) в противоположном направлении.