تکانه
تَکانه، اندازۀ حرکت (ترجمه از لفظ فرانسوی quantité de mouvement)، یا مومنتوم (به انگلیسی: momentum) از کمیتهای برداری در فیزیک است. در واقع کمیتی است که میزان نیروی لازم برای توقف جسم را توصیف میکند. این کمیت در تعریف قانون دوم نیوتون مورد استفاده قرار گرفت. حاصلضرب جرم شیء در سرعت برداری آن در هر لحظه، تکانه شیء در آن لحظه است؛ یعنی:
که در آن،
بررسی مفهوم تکانه خطی
از آنجا که در مطالعهٔ حرکت دورانی با مفهوم مشابهی موسوم به تکانهٔ زاویهای روبرو میشویم، از عبارت تکانهٔ خطی به جای تکانه استفاده میکنیم.حال فهمیدیم تکانه یا همان اندازه ضربه به دو پارامتر m و v بستگی دارد و از طرفی، نیروی برابر با آن (که توانستیم با آن بر سرعت و جرم مقابله کنیم ) با زمان وارد شدن نیرو "t" و اندازه نیرو "F" رابطه دارد. حال می نویسیم تغییرات لحظه ای تکانه "dp" با میزان زمان گذشته "dt" با ضریبی از جنس نیرو "F" رابطه دارد:
و این فرمول نهایتا به درک ما از تاثیر نیرو بر شتاب جسم انجامید :
بطوریکه :
پس :
برای شتاب داریم:
پس داریم:
و این نتیجه نهایی تاثیر نیروی وارده بر جرم را بر شتاب نشان می دهد.به این نکته هم توجه کنید که تکانه کمیتی موضعی است، بدین معنا که در هر نقطه از مسیر حرکت یا در هر لحظه مقدارش تعریف می شود.
تکانهٔ خطی سیستم بس ذرهای
تکانهٔ خطی یک سیستم بس ذرهای (سیستم متشکل از دو یا چند ذره) به صورت حاصل جمع تکانههای خطی تک تک ذرات تشکیل دهندهٔ سیستم تعریف میشود:
مرکز جرم یک سیستم بس ذرهای به صورت زیر تعریف میشود:
که در آن،
با توجه تعریف به بردار سرعت، اگر از طرفین معادلهٔ بالا نسبت به زمان مشتق بگیریم، به نتیجهٔ زیر میرسیم
بنابراین، به جای مطالعهٔ حرکت تک تک ذرات تشکیل دهندهٔ سیستم، میتوان فرض کرد که ذرهای با جرم کل
با مشتقگیری از رابطهٔ بالا نسبت به زمان، قانون دوم نیوتون برای سیستم بس ذرهای به شکل حاصل میشود:
طرف چپ معادلهٔ بالا نشان دهندهٔ برآیند همهٔ نیروهای داخلی و خارجی وارد بر همهٔ ذرات تشکیل دهندهٔ سیستم است. در یک سیستم
در این معادله،
یعنی این که، نیروهای داخلی سیستم اثری بر رفتار کل سیستم ندارند و در مطالعهٔ دینامیک سیستم کافی است فقط نیروهای خارجی را در نظر بگیریم.
قانون پایستگی تکانهٔ خطی
اگر هیچ نیروی خارجی بر سیستم اثر نکند یا برآیند نیروهای خارجی وارد بر سیستم صفر باشد، تکانهٔ خطی سیستم با گذشت زمان ثابت میماند. به زبان ریاضی:
نتیجهٔ حاصل به قانون پایستگی تکانهٔ خطی معروف است. هم نیرو و هم تکانهٔ خطی کمیتهایی برداریند، بنابراین در هر جهتی که مؤلفهٔ نیروی برآیند صفر باشد مؤلفهٔ تکانهٔ خطی در آن جهت با گذشت زمان پایسته میماند (مستقل از این که در جهات دیگر پایسته هست یا نه). به عنوان نمونه، در دستگاه مختصات دکارتی سه بعدی، که
هر یک از مؤلفههای نیرو صفر باشند مؤلفهٔ متناظر تکانهٔ خطی پایسته خواهد بود؛ فارغ از این که دو مؤلفهٔ دیگر پایسته هستند یا نه. نیروی پیشرانه ی حاصل از موتور جت و پدیدهٔ پس زنی تفنگ نمونههایی از اثر قانون پایستگی تکانهٔ خطی میباشند. در هر دوی این مثالها، جزئی از سیستم، به بهای پرتاب جزء دیگر در یک جهت، در جهت مخالف پس زده میشود.
در موتور جت سوخت با هوای وارد شده از دهانهٔ جلویی موتور مخلوط میشود و گاز متراکم داغی در اثر سوختن حاصل میگردد. گاز داغ و بدنهٔ موتور اجزای تشکیل دهندهٔ یک سیستم دو جزئی هستند. این سیستم دو جزئی تکانهٔ خطی مشخصی دارد؛ وقتی گاز داغ با فشار به سمت بیرون هدایت میشود، تکانهٔ خطی هر دو جزء تغییر میکند. چون نیروهای مبادله شده بین گاز و موتور نیروهای داخلی سیستم دو جزئی هستند و هیچ نیروی خارجی در امتداد حرکت موتور جت بدان وارد نمیشود، تکانهٔ خطی کل سیستم دو جزئی ثابت میماند؛ بنابراین، تغییر تکانهٔ اجزاء به گونه ایست که کل تغییرات صفر باشد؛ اگر
به ازای تغییر سرعتی که به تودهٔ گاز خروجی در یک جهت داده میشود خود موتور جت در جهت مخالف شتاب میگیرد.
پدیدهٔ پس زنی تفنگ را هم به همین ترتیب میتوان مورد بحث قرار داد. فرض کنید قبل از شلیک، تفنگ و گلوله هر دو ساکن باشند؛ اگر جرم تفنگ و گلوله را، به ترتیب با M و m، و سرعتهای آن دو بعد از شلیک را به ترتیب با V و v نشان دهیم:
پس، در اثر شلیک گلوله، تفنگ سرعتی در خلاف جهت شلیک گلوله و متناسب با نسبت جرم گلوله به تفنگ پیدا میکند.
قانون پایستگی تکانهٔ خطی، با این که در این مقاله به صورت نتیجهای از قانون دوم نیوتن بیان شده، در واقع یکی از قوانین پایهای طبیعت است.
انفجار یک جسم و بقای تکانه
یک جسم ساکن در حالت سکون با اعمال یک نیروی درونی منفجر میشود و به تکههایی با اندازههای مختلف تبدیل میشود که هر کدام با زاویه، جرم و سرعت معینی به یک جهت خاص شروع به حرکت میکنند. با استفاده از قانون بقای تکانه جرم اولیه با مجموع جرمهای تکهها برابر و سرعت تکهها نیز منحصر بفرد میباشند، با تجزیه حرکت به مولفههای قائم و افقی و قرار دادن در معادله بقای تکانه پارامترهای مورد نظر قابل محاسبه میباشند.
در جسم متحرک سرعت تکهها ضریب یا نسبتی از سرعت اولیه جسم هستند و همانند مسئله جسم ساکن با تجزیه حرکت به مولفههای قائم و عمود برهم قابل محاسبه میباشند یعنی بقای تکانه را برای هر راستا جدا بررسی میکنیم.
تکانهٔ خطی در نسبیت خاص
در نظریهٔ نسبیت خاص، تکانهٔ خطی به شکلی بازتعریف میشود که قانون پایستگی تکانهٔ خطی برقرار باشد.
p=m/√1-v^2/c^۲
بررسی تکانه در موشک
موشک از قانون پایستگی تکانه متولد شده. در واقع تغییر حجم سوخت در اثر واکنش در زمان کم منجر به
پانویس
- ↑ در فیزیک کلاسیک، فرض بر این است که در هر لحظهٔ دلخواه، موقعیت مکانی ذره را میتوان با هر دقت دلخواه تعیین کرد؛ فارغ از این که ذره در حال حرکت باشد یا نه. با این که این فرض کاملاً بدیهی به نظر میرسد، اما در فیزیک مدرن صادق نیست.
- ↑ در مطالعهٔ دقیق دینامیک موتور جت حتماً باید تغییرات جرم را نیز لحاظ کرد چرا که سوخت در حال مصرف شدن است.
جستارهای وابسته
- تکانهٔ زاویهای
- سرعت
منابع
- Halliday, David (1960–2007), Fundamentals of Physics (به انگلیسی), Robert Resnick, John Wiley & Sons, p. Chapter 9
Wikipedia contributors, "Momentum," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Momentum&oldid=664207561 (بازبینی ۲۹ مه ۲۰۱۵).