Mục lục bài họcĐang ở d04-b4
← AP Physics 1
0/32 bài đã học xong
Chương 4 · Unit 4 — Linear Momentum · Bài 4/4 của chương · bài 16/32 của AP Physics 1

Two-Dimensional Collisions, Explosions and Force–Time Graphs

Va chạm hai chiều, nổ tách và đồ thị lực – thời gian
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

Momentum is conserved one axis at a time

Because momentum is a vector, conservation in two dimensions is two separate equations:

$$\sum p_{x,i}=\sum p_{x,f},\qquad \sum p_{y,i}=\sum p_{y,f}$$

Set up axes, resolve every velocity into components with $v\cos\theta$ and $v\sin\theta$, and never add magnitudes of momenta that point in different directions. A puck moving east that strikes a puck at rest can send both off at angles; the $y$-momenta after the collision must then be equal and opposite because there was no $y$-momentum before. Kinetic energy is a scalar and, if the collision is elastic, gives one more equation with no components at all.

Explosions and recoil

An explosion is a collision run backwards: internal forces push the pieces apart, so total momentum is unchanged. If the system starts at rest, the pieces leave with equal and opposite momenta:

$$0=m_1v_1+m_2v_2\ \Longrightarrow\ v_2=-\frac{m_1}{m_2}v_1$$

A $4$ kg rifle firing a $10$ g bullet at $400$ m/s recoils at $\frac{0{,}01\times400}{4}=1$ m/s. The kinetic energies are not equal: since $K=\frac{p^2}{2m}$ and both pieces have the same $p$, the lighter piece carries most of the energy — the bullet gets $800$ J, the rifle only $2$ J. Mechanical energy increases in an explosion; it comes from chemical energy, a compressed spring, or a person's muscles.

Force–time graphs

When the force during a collision is not constant, impulse is the area under the $F$–$t$ curve. A triangular force peaking at $600$ N over $0{,}02$ s delivers $\tfrac12(600)(0{,}02)=6$ N·s. The average force is that area divided by the duration, $F_{\text{avg}}=\frac{\Delta p}{\Delta t}=300$ N here — half the peak, as it must be for a triangle. Area below the axis is impulse in the negative direction.

Giải thích tiếng Việt

Động lượng bảo toàn theo từng trục. Vì động lượng là vectơ, bảo toàn trong hai chiều là hai phương trình riêng: tổng $p_x$ trước bằng sau, tổng $p_y$ trước bằng sau. Chọn trục, tách mọi vận tốc thành $v\cos\theta$ và $v\sin\theta$, và tuyệt đối không cộng độ lớn của hai động lượng khác hướng. Quả cầu đi về hướng đông đập vào quả đứng yên có thể làm cả hai bay chếch — khi đó hai thành phần $p_y$ sau va chạm phải bằng nhau và ngược dấu, vì trước đó không có $p_y$. Động năng là vô hướng: nếu va chạm đàn hồi thì được thêm một phương trình không cần tách thành phần.

Nổ tách và giật lùi là va chạm chạy ngược: nội lực đẩy các mảnh ra, tổng động lượng không đổi. Hệ ban đầu đứng yên thì các mảnh bay ra với động lượng bằng nhau, ngược chiều. Súng $4$ kg bắn đạn $10$ g ở $400$ m/s giật lùi $1$ m/s. Nhưng động năng thì không chia đều: $K=p^2/2m$ với cùng $p$ nên mảnh nhẹ ôm gần hết năng lượng — đạn $800$ J, súng $2$ J. Cơ năng của hệ tăng trong vụ nổ, lấy từ hoá năng hay lò xo bị nén.

Đồ thị $F$–$t$: lực va chạm không đều thì xung lượng là diện tích dưới đường cong. Tam giác đỉnh $600$ N trong $0{,}02$ s cho $6$ N·s; lực trung bình bằng diện tích chia thời gian, $300$ N — đúng nửa đỉnh với tam giác. Phần dưới trục là xung lượng âm.

Ví dụ — hai xe va chạm ở ngã tư rồi dính nhau

Xe A khối lượng $1000$ kg đi về hướng đông với $20$ m/s, xe B $1500$ kg đi về hướng bắc với $10$ m/s. Hai xe va chạm và dính vào nhau. Tìm vận tốc (độ lớn và hướng) của khối chung ngay sau va chạm, và phần động năng đã mất.

Giải.

Chọn $x$ hướng đông, $y$ hướng bắc. Bảo toàn theo từng trục, sau va chạm khối $2500$ kg có vận tốc $(v_x,v_y)$:

$$x:\ 1000(20)+0=2500v_x\ \Rightarrow\ v_x=8\ \text{m/s}$$$$y:\ 0+1500(10)=2500v_y\ \Rightarrow\ v_y=6\ \text{m/s}$$

Độ lớn và hướng:

$$v=\sqrt{8^2+6^2}=10\ \text{m/s},\qquad \tan\theta=\frac{6}{8}\ \Rightarrow\ \theta\approx36{,}9°\ \text{bắc lệch đông}$$

Động năng trước: $\tfrac12(1000)(20^2)+\tfrac12(1500)(10^2)=200\,000+75\,000=275\,000$ J. Sau: $\tfrac12(2500)(10^2)=125\,000$ J. Mất $150\,000$ J (khoảng $55\%$) thành nhiệt và biến dạng — va chạm hoàn toàn mềm nên mất nhiều nhất có thể mà vẫn bảo toàn động lượng.

Bẫy hay mất điểm — Cộng độ lớn động lượng khác hướng là lỗi số một: $20\,000$ N·s về đông và $15\,000$ N·s về bắc cho $25\,000$ N·s, không phải $35\,000$. Nổ tách không bảo toàn động năng — cơ năng tăng, và nếu đề hỏi “năng lượng lấy từ đâu” thì phải nêu nguồn (thuốc nổ, lò xo, cơ bắp). Lực trung bình khác lực cực đại: với đồ thị $F$–$t$ hình tam giác, $F_{\text{tb}}$ chỉ bằng nửa đỉnh; đề cho đỉnh mà đem nhân thẳng với $\Delta t$ là sai gấp đôi. Và hai mảnh cùng $p$ thì mảnh nhẹ mang nhiều động năng hơn, không phải mảnh nặng.
Phải nhớ — Hai chiều thì viết hai phương trình bảo toàn, mỗi trục một cái, và không bao giờ cộng độ lớn của hai động lượng lệch hướng. Nổ tách từ trạng thái nghỉ cho các mảnh động lượng bằng nhau ngược chiều, còn động năng thì dồn về mảnh nhẹ và tổng cơ năng tăng. Đồ thị $F$–$t$: diện tích là xung lượng, chia cho thời gian là lực trung bình. Va chạm dính nhau mất nhiều động năng nhất mà vẫn giữ nguyên động lượng.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Unit 4 — Linear Momentum gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →