phys1 4 E
Shared by: 7KSDES7S
-
Stats
- views:
- 151
- posted:
- 3/12/2012
- language:
- Thai
- pages:
- 34
Document Sample


หน่วยที่ 4 ระบบอนุภาค โมเมนตัม
และการชน
1
จุดศูนย์ถ่วง จุดศูนย์กลางมวล และเซนทรอยด์
จุดศูนย์ถ่วง จุดศูนย์กลางมวล เซนทรอยด์
โมเมนตัมเชิงเส้นของระบบอนุภาคและหลักการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงเส้น
พลังงานจลน์และหลักการอนุรักษ์ พลังงานของระบบอนุภาค
โมเมนตัมเชิงมุมของระบบอนุภาค
การชน
2
จุดศูนย์ถ่วง (Center of Gravity) :
คือ จุดที่น้าหนักรวมของวัตถุตกผ่าน
่
จุดศูนย์ถวงของระบบมวล m1, m2, m3 ที่ยึดติดกันด้วยแกนเบา
จะมีลักษณะดังรูป
m1 m2 C.G. m3
(m1+m2+m3)g
3
จุดศูนย์กลางมวล (Center of Mass)
คือต้าแหน่งเฉลี่ยของระบบมวล
มีความส้าคัญในกรณีที่วัตถุอยู่ห่างไกลจากแรงดึงดูดของดวงดาวใด ๆ
เพราะจะท้าให้มวลอยู่ในสภาพไร้น้าหนัก
การหาต้าแหน่งของจุดศูนย์กลางมวลอาศัยการหาโมเมนต์ของมวล
แทนโมเมนต์ของแรง
4
y
การหาต้าแหน่งของ C.M. m2 (x 2 , y 2 )
y
กรณีระบบมวล 3 ก้อน : CM (x, y)
m1 ( x 1 , y 1 )
m3 (x 3 , y 3 )
x
คิดโมเมนต์รอบแกน Y จะได้ m1x1 m 2 x 2 m 3 x 3 Mx
3
m1x1 m 2 x 2 m 3 x 3 mi x i
x i 13
M mi
i 1
3
m1 y1 m 2 y 2 m 3 y3 m y i i
คิดโมเมนต์รอบแกน X จะได้ y i 1
3
m
M
i
i 1
5
จุดศูนย์กลางมวลของระบบอนุภาคใน 3 มิติ : mi ri C
M
ri R
ถ้าระบบมี n อนุภาค ต้าแหน่งของจุด
ศูนย์กลางมวลจะเป็น
O
n n
v
m 1 r1 m 2 r2 . . . m n rn
i 1
m i ri
v å mi ri
R Þ R= i= 1
m 1 m 2 . . . m n n
i 1
mi M
n n
m x m z
n
i i m y i i
i 1
i i
องค์ประกอบของ R : x i 1
n y i 1
z n
m
n
m
i 1
i m
i 1
i
i 1
i
6
ตัวอย่างที่ 4.1 อนุภาค 3 อนุภาควางในระนาบ xy มีมวลและพิกัดดังนี มวล 3
กิโลกรัม อยู่ที่พิกัด (3, -2) เมตร มวล 4 กิโลกรัม อยู่ที่พิกัด
(-2, 4) เมตร มวล 1 กิโลกรัม อยู่ที่พิกัด (2, 2) เมตร จงหา
พิกัดของศูนย์กลางมวล
n
m y
n
m x i i
i 1
i i
จาก x i 1 และ y n
m
n
m
i 1
i
i 1
i
xcm
3 3 4 2 1 2
3
3 4 1 8
ycm
3 2 4 4 1 2
3
3 4 1 2
7
จุดเซนทรอยด์ (Centroid, C)
คือต้าแหน่งเฉลี่ยที่หาได้จากรูปทรงเรขาคณิตของวัตถุ
การหาต้าแหน่งของจุด C:
จุด C ของปริมาตร
rc r dV r dV
dV V
จุด C ของพื้นที่
rc r ds r ds
ds S
r d r d
จุด C ของเส้น rc
d L
8
ตัวอย่าง 4.2 แผ่นเหล็กมวลสม่่าเสมอรูปร่างเหมือนส่วนที่แรเงา มีสเกลในหน่วย
เซนติเมตร จงหาพิกัดของศูนย์กลางมวล y
30
วิธีท้า แบ่งแผ่นเหล็กออกเป็น 3 แผ่นดังรูป 20
n n 10
m x
i 1
i i m y
i 1
i i
O x
จาก x n
และ y n 10 20 30
m i m
i 1
i
i 1
xcm
2 10 2 5 2 20 11.7 cm
6
ycm
2 25 2 10 2 5 13.3cm
6
9
ตัวอย่าง 4.3 เด็กมวล 40 กิโลกรัม ยืนที่ท้ายเรือยาว 4 เมตร มวลเรือ
70 กิโลกรัม ลอยอยู่นิ่งๆ โดยที่ท้ายเรือห่างสะพาน 3 เมตร
มีเต่าตัวหนึ่งเกาะอยู่บนก้อนหินข้างหัวเรือดังรูป ถ้าเด็กเริ่มเดิน
มา ทางหัวเรือเพื่อจับเต่า
a. จงบรรยายการเคลื่อนที่ของระบบทั้งหมด
b. เมื่อเขามาถึงหัวเรือ เขาจะอยู่ห่างสะพานเท่าใด
c. ถ้าเขาสามารถยื่นมือออกมาพ้นเรือได้ไกลที่สุด 1 เมตร
เขาจะจับเต่าได้หรือไม่ (ไม่คิดแรงเสียดทานระหว่างเรือกับน้่า)
10
วิธีท้า a ) เด็กเดินไปทางขวา เรือถอยมาทางซ้าย แต่ศูนย์กลางมวลของระบบอยู่ที่เดิม
b) ให้เด็กอยู่ห่างสะพานเป็นระยะ x เมตรเมื่อเดินถึงหัวเรือ
ก่อนเดิน : m x (40)(3) (70)(5)
i i
หลังเดิน : m x 40 x 70 x 2
i i
เนื่องจากผลคูณของมวลและต้าแหน่งของจุด C. M. มีค่าคงตัว
403 705 40 x 70 x 2
61
x 5.55 m
11
c) จับไม่ได้ เพราะเต่าอยู่ห่างสะพาน 7 m แต่เด็กเอื้อมได้ห่างสะพานแค่ 6.55 m
11
โมเมนตัมเชิงเส้นและการดล
โมเมนตัมเชิงเส้น (Linear momentum) คือ ผลคูณของมวลและความเร็ว
p mv , หน่วย : kg-m/s
dv dp
จากกฎข้อที่ 2 ของนิวตัน : F ma m
dt dt
2
r r r
ò å F dt = p2 - p1
( )
1
r
= J เรียกว่าการดล (impulse)
J
F เรียกว่าแรงดล (impulsive force)
t
12
ตัวอย่าง 4.4 ลูกเบสบอลมวล 0.14 kg เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วตามแนวราบ
150 km/h เข้ากระทบไม้เบสบอล ลูกเบสบอลพุ่งออกจากไม้ตี
ในทิศทาง 35o กับแนวราบด้วยอัตราเร็ว 180 km/h
(a) จงค่านวณหาการดลของแรงตีลูกเบสบอล
(b) ถ้าการเข้ากระทบของไม้ลูกเบสบอลกินเวลา 1.5 ms
จงหาแรงดลเฉลี่ย
(c) จงหาการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของไม้ตี
+y Y
pi
pf
pf J
p f sin 35
-X
+X
X
p f cos 35
pi
13
ตัวอย่าง 4.5 มวล 4.88 kg มีอัตราเร็ว 31.4 m/s เข้ากระทบแผ่นโลหะ
เรียบท่ามุม 42.0o และ สะท้อนออกด้วยความเร็วเท่าเดิม
ถามว่าการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมมีค่าเท่าใด
420 420
pi
420
p
420
pf
14
z
ri
่
การเคลื่อนทีของระบบอนุภาค
ri
CM
•สมมติระบบประกอบด้วย n อนุภาค R
y
มีมวล m1 , m2 , …m3 ,…mn
x
ต้าแหน่งของอนุภาคที่ i : ri R ri
ความเร็วของอนุภาคที่ i : vi V vi
โมเมนตัมเชิงเส้นของระบบ : P p i m v i i
15
โมเมนตัมของระบบในเทอมของจุด C.M. :
P m (V v)
i i
mi V mi vi
ดังนั้นโมเมนตัมของระบบ :
P MV , m v i i
'
0
โมเมนตัมเชิงเส้นของระบบ = มวลรวมของระบบ x ความเร็วของจุด C. M.
16
ความเร่งของระบบ:
ความเร่งของระบบจะเป็นไปตามกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันข้อที่ 2
dp
ส้าหรับอนุภาคที่ i : Fi Fij m i a i p i
i j dt
n n n n
ส้าหรับระบบของ n อนุภาค : F F
i1
i
i1 j1
ij p
i1
i
F p
n n
F
i1 j1
ij 0
i i
F MA
ความเร่งของระบบ คือ ความเร่งของจุด C.M.
17
การอนุรักษ์โมเมนตัมของระบบอนุภาค
ถ้าไม่มีแรงภายนอกกระท้ากับระบบ หรือ F 0
A0 V Const.
ดังนั้นโมเมนตัมของระบบ :
P MV mi vi Const.
ถ้าไม่มีแรงภายนอกกระท้ากับระบบโมเมนตัมของระบบจะที่มีค่าคงตัว
18
ตัวอย่าง 4.6 ปืนใหญ่มีมวล M = 1300 กิโลกรัม ยิงลูกปืนมวล 72 กิโลกรัม
ในแนวราบด้วยอัตราเร็วปลายกระบอก v = 55 เมตร/วินาที
ปืนใหญ่ถูกติดตังให้ถอยกลับได้อย่างอิสระ จงหา
(a) อัตราเร็ว V ของปืนใหญ่ในการถอยกลับเทียบกับผิวโลก
(b) อัตราเร็วเริ่มต้น v E ของลูกปืนเทียบกับโลก
วิธีท้า จากกฎการอนุรักษ์โมเมนตัม : p i = pf
ก่อนยิงโมเมนตัมของระบบเป็นศูนย์ เพราะทุกอย่างอยู่นิ่ง: pi = 0
หลังยิงโมเมนตัมของระบบ = โมเมนตัมของกระบอกปืน + โมเมนตันของลูกปืน
pf MV m vE MV m v V
อัตราเร็วของกระบอกปืนเทียบกับโลก : V
mv
72 kg 55 m/s 2.9 m/s
M m 1300 kg 72 kg
อัตราเร็วของลูกปืนเทียบกับโลก vE = v + V = 55 m/s + (- 2.9 m/s)= 52.1 m/s
: 19
ตัวอย่าง 4.7 ระบบประกอบด้วยอนุภาคมวล 2 กิโลกรัม ความเร็ว
v1 2ˆ 10 tˆj เมตร/วินาที และมวล 3 กิโลกรัม ความเร็วคงตัว
i
v2 4 เมตร/วินาที (t มีหน่วยเป็นวินาที) เมื่อ t = 0.5 s จงหา
i
a. ความเร็วของจุดศูนย์กลางมวล
b. ความเร่งของจุดศูนย์กลางมวล
c. โมเมนตัมรวมของระบบ
วิธีท้า จาก MVcm m v i i
ความเร็ว : Vcm
ˆ ˆ
ˆ
2 2i 10tj 3 4i
ˆ ˆ
16i 20tj ˆ ˆ
3.2i 4tj
23 5
ˆ
Vcm (t 0.5 s) 3.2i 2 ˆ
j
dVcm
ความเร่ง : acm = = - 4ˆj เป็นค่าคงตัว
dt
โมเมนตัม : P = MVcm = 5(3.2iˆ - 2 ˆ) = 16iˆ - 10 ˆ
j j
20
โมเมนตัมเชิงมุมของระบบอนุภาค
จากค้าจ้ากัดความ : L r x p r x mv
โมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาค i : Li ri mi vi
โมเมนตัมเชิงมุมของระบบ : L L i ri m i v i
L mi ( R ri)x(V vi)
mi (R x V ri x V R x vi ri x vi)
M 0 0
Rx mV m r x V R x m v (r x m v )
i i i i i i i i
' '
L R MV ri m i v i
L L ของศูนย์กลางมวล L รอบศูนย์กลางมวล
21
การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมของระบบอนุภาค
r
ædp r rö
ท้านองเดียวกับโมเมนตัมเชิงเส้น : ç =
ç å Fi = F ÷
÷
ç dt
è ÷
ø
อัตราการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัม เชิงมุม มีค่าเท่ากับ ทอร์กรวม
dL
หรือ i
dt
dL
ถ้าไม่มีทอร์กจากแรงภายนอก หรือ 0, 0
dt
โมเมนตัมเชิงมุม ( L ) ของระบบมีคงตัว (Li = L f )
22
พลังงานจลน์และหลักการอนุรักษ์พลังงานของระบบ
1 1
พลังงานจลน์ของระบบ Ek mi vi2 mi vi .vi
2 2
เมื่อแทนค่าความเร็วของอนุภาคที่ i : vi V vi' จะได้
Ek mi V vi V vi Ek mi V V 2vi' V vi' vi'
1 ' ' 1
2 2
1 1
mi vi 0 Ek mi V mi vi' 2
' 2
2 2
1 1
พลังงานจลน์ของระบบ 2
E K MV m i v1
2
2 2
พลังงานจลน์ของระบบ = พลังงานจลน์ของจุด C.M. + พลังงานจลน์ของแต่ละอนุภาครอบจุด C.M.
23
การชน (Collision)
การชนหนึ่งมิติ :
- จะมีแรงกระท่าที่มีค่าสูงมากกระท่าต่ออนุภาคทั้งก้อนในช่วงเวลาสั้นๆ
และท่าให้เกิดการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่อย่างฉับพลันก่อนชน
และหลังชน
- แรงดังกล่าวคือ แรงดล (impulse force) ซึ่งท่าให้เกิดการดล (impulse)
มีค่าเป็น 2
J p2 p1 F dt
1
หลังการชนการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของระบบจะมีค่าเป็นศูนย์
p p1 p2 ... 0
24
ชนิดของการชน
1. การชนชนิดยืดหยุ่นสมบูรณ์ (Elastic Collision)
v v
โมเมนตัมคงตัว : pi = p f
พลังงานคงตัว : Ek i = Ek f
2. การชนชนิดไม่ยืดหยุ่นสมบูรณ์ (Inelastic Collision)
v v
โมเมนตัมคงตัว : pi = p f
พลังงานไม่คงตัว Ek i ¹ Ek f
:
25
การชนแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์ในหนึ่งมิติ
v1i v2 i
v1 f v2 f
m1 m2
ก่อนชน หลังชน
กฎการคงตัวของโมเมนตัม : m1v1i m2 v2i m1v1 f m2 v2 f
1 1 1 1
กฎการคงตัวของพลังงานจลน์ : m1v1i m2v2i m1v1 f m2v2 f
2 2 2 2
2 2 2 2
เมื่อแก้สมการทั้งสองจะได้ความเร็วของอนุภาคหลังชนเป็น :
m1 m2 2m2 2m1 m m1
v1 f v1i v2 i v2 f v1i 2 v2 i
m1 m2 m1 m2 m1 m2 m1 m2
26
กรณีพิเศษที่เป็นไปได้
1. เมื่อ m1 = m2 : v1 f v2i , v2 f v1i
m1 m2 2m1
2. เมื่อ v2i = 0 : v1 f v1i , v2 f v1i
m1 m2 m1 m2
3. เมื่อ m2 >> m1 : v1 f v1i 2v2i , v2 f v2 i
4. เมื่อ m1 >> m2 : v1 f v1i , v2 f 2v1i v2i
27
ตัวอย่าง 4.8
(a) จงหาสัดส่วนของพลังงานจลน์ที่ลดลงของอนุภาคนิวตรอนมวล m1
เข้าชนผ่านจุดศูนย์กลางกับนิวเคลียสมวล m2 ที่หยุดนิ่งก่อน
ถูกชน
(b) จงหาสัดส่วนของพลังงานจลน์ที่ลดลงของอนุภาคนิวตรอนเมื่อเข้า
ชนลักษณะนี้กับนิวเคลียสของธาตุตะกั่ว คาร์บอนและ
ไฮโดรเจน v 2i 0
v 1i
m1 m2
neutron Nucleus :
Nucleus : Pb (m2 = 206m1), C (m2 = 12m1), H (m2 = m1)
28
การชนชนิดไม่ยืดหยุ่นสมบูรณ์
- เป็นการชนที่มีโมเมนตัมคงตัวแต่พลังงานจลน์ไม่คงตัว
- หลังการชนมวลทั้งสองจะติดกันไปด้วยความเร็วเท่ากัน
m1 m2
vf v1i v2i
m1 m2 m1 m2
- ถ้า m2 อยู่นิ่งก่อนถูกชน จะได้
m1
vf v1i
m1 m2
29
ื
การชนชนิดไม่ยดหยุ่นและสัมประสิทธิ์ของการคืนตัว
- อัตราเร็วสัมพัทธ์ก่อนชนและหลังชนมีความสัมพันธ์กับสัมประสิทธิ์
ของการคืนตัวตามสมการ
v 1f v2 f e v1i v2i
e=0 การชนแบบไม่ยืดหยุ่นสมบูรณ์
0<e<1 การชนแบบไม่ยืดหยุ่น
e=1 การชนแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์
30
การชนในสองมิติ y
- เกิดขึ้นเมื่ออนุภาคชนกันโดย
ไม่ผ่านจุดศูนย์กลางมวล m2 2
1 x
- หลังชนอนุภาคจะไม่ m1 v1i
เคลื่อนที่ในทิศทางเดิม
จากกฎการคงตัวของโมเมนตัม : v1f
p xi pxf m v m v cos m v cos
1 1i 1 1f 1 2 2f 2
p yi pyf 0 m1v1 f sin 1 m2 v2 f sin 2
ส่าหรับการชนแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์ :
1 1 1
Ek 0 m1v1i m1v1f m2 v 2f
2 2 2
2 2 2 31
ตัวอย่างที่ 4.9 Ballistic Pendulum เป็นเครื่องมือตรวจวัดความเร็วต้นลูกปืน
ประกอบด้วยแท่งไม้ขนาดใหญ่ มวล M แขวนด้วยเชือกคู่ ลูกปืน
มวล m ถูกยิงเข้าแท่งไม้และฝังตัวอยู่ในแท่งไม้ แท่งไม้พร้อม
ลูกปืนจะแกว่งตัวขึ้นถึงต่าแหน่งสูงสุด ได้ความสูงตามแนวดิ่ง h ดัง
รูปถ้า M = 5.4 กิโลกรัม, m = 9.5 กรัม จงค่านวณหา
(a) ความเร็วต้นของลูกปืน ถ้า h = 6.3 เซนติเมตร
(b) พลังงานจลน์เริ่มต้นของลูกปืนและพลังงานจลน์
ปริมาณเท่าใดที่ใช้ในการแกว่งตัวของแท่งไม้
m
v
M
h
32
แบบฝึกหัด
1. ระเบิดมวล 1 kg แตกออกเป็นสองเสี่ยง โดยเสี่ยงแรกมีมวล 0.75 kg ความเร็ว
100 m/s ไปทางตะวันออก จงหามวลและทิศทางของเสียงที่ 2
2. ระบบอนุภาคมีมวล m1 = 4 kg , ˆ ˆ
v1 (2i 3 ˆ 4k )
j
m2 = 6 kg , 2 ˆ ˆ
v (3i 2 ˆ 2k )
j
จงหาโมเมนตัมและพลังงานจลน์ของระบบ
3. ระบบประกอบด้วยมวล 1 kg จ่านวน 3 อนุภาค อยู่ที่ต่าแหน่ง (x,y,z)=(1,0,0),
(0,1,0) และ (0,0,1) จงหาต่าแหน่งศูนย์กลางมวลของระบบ
4. ลูกเบสบอลมวล 0.5 kg เคลื่อนที่ตามแนวราบด้วยอัตราเร็ว 120 km/h เข้า
กระทบไม้เบสบอลกระเต้งออกจากไม้ด้วยอัตราเร็ว 150 km/h ในทิศ 45 องศา
กับแนวราบ จงหาการเปลี่ยนแปลงโมเมนตัมของลูกเบสบอล
33
5. ลูกสนุกเกอร์สีขาวเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 1.5 m/s เข้าชนแบบยืดหยุ่นสมบูรณ์
กับลูกสีแดงที่อยู่นิ่ง หลังชนลูกขาวท่ามุม 60 องศากับแนวเดิม สมมติลูกสนุก
เกอร์ทั้งสองมีมวลเท่ากัน จงหา
ก) ขนาดของความเร็วของลูกแดงและลูกขาวหลังชน
ข) สมมติก่อนชนลูกแดงอยู่กลางโต๊ะพอดี และหลังชนลูกแดงวิ่งลงตรงหลุม
กลางของโต๊ะ ซึ่งกว้าง 2 เมตร จงหาเวลาที่ลูกแดงวิ่งถึงหลุมหลังจากโดยชน
6. รถพ่วง 50 ตัน วิ่งชนรถฮอนด้าแจ๊ส ที่จอดขวางอยู่บนถนนมิตรภาพหลังชนรถทั้ง
สองเคลื่อนที่ติดกันไปหากในการชนนี้สูญเสียพลังงาน 25% ในรูปของความร้อน
จงหามวลของรถฮอนด้าแจ๊ส
7. ลูกปืนมวล 20 g ยิงเข้าหาแท่งไม้มวล 5 kg แล้วฝังตัวในแท่งไม้ท่าให้แท่งไม้และ
ลูกปืนแกว่งสูงขึ้น 10 cm จงหาความเร็วลูกปืนก่อนกระทบแท่งไม้ (g=10 m/s2)
34
Get documents about "