ГЛАВА 19. УДАР

§ 1. Основное уравнение теории удара

Явление удара

Удар представляет собой механическое явление, при котором кратковременное взаимодействие тел вызывает конечное изменение вектора скорости всех или некоторых точек материальной системы при ничтожно малом изменении положения точек системы. Интервал времени, в течение которого происходит удар, обозначается буквой и называется временем удара.

Удар представляет собой распространенное явление при рассмотрении движения как макроскопических тел, так и микроскопических частиц, например молекул газа. Таким образом, явление удара играет существенную роль в ряде технических и физических задач. Природа удара существенно зависит от физической структуры соударяющихся тел.

Мгновенные силы

Так как время, в течение которого происходит удар, мало, то конечному изменению скорости при ударе соответствуют весьма большие ускорения точек системы. Поэтому силы, действующие в процессе удара, во много раз превышают обычные силы.

Эти силы называются мгновенными силами. Непосредственное измерение мгновенных сил весьма затруднено, так как время удара обычно выражается в тысячных или десятитысячных долях секунды. Кроме того, в течение этого крайне малого промежутка времени мгновенные силы не остаются постоянными: они увеличиваются от нуля до некоторого максимума, а затем снова уменьшаются до нуля. Благодаря этому силы, вызывающие удар, приходится характеризовать при помощи некоторых специальных понятий.

Ударный импульс

Рассмотрим точку массы движущуюся под действием некоторой конечной силы Пусть затем в момент к ней прикладывается мгновенная сила Р, действие которой прекращается в момент . Обозначим скорости точки в моменты и соответственно , применяя к этим моментам теорему импульсов, получим:

Первый из этих интегралов представляет импульс конечной силы за время и потому является малой величиной того же порядка, что и . Следовательно, скорость рассматриваемой точки может получить конечное изменение лишь в том случае, если будет конечным импульс мгновенной силы Р, обозначая который через имеем:

где называется ударным, или мгновенным, импульсом, он характеризует действие мгновенной силы при ударе.

Основное уравнение теории удара

Так как импульс конечной силы имеет порядок малой величины то им можно пренебречь по сравнению с конечным импульсом Следовательно, при изучении действия мгновенных сил во время удара можно не учитывать действия конечных сил, и теорема импульсов для точки при ударе имеет вид:

Скорости точки, соответствующие началу и концу удара, носят название до ударной и после ударной скорости. Полученное равенство, связывающее скорости точки до и после удара с мгновенным импульсом, называется основным уравнением теории удара. Оно в этой теории играет роль основного закона динамики.

Смещение точек при ударе

Скорость точки в процессе удара остается конечной, изменяясь от до Отсюда перемещение точки будет или это будет малая величина порядка т. Таким образом, за время удара точка не успевает сместиться сколько-нибудь заметным образом. Пренебрегая этим ничтожно малым перемещением, можно сказать, что единственным следствием действия мгновенной силы является внезапное изменение скорости точки. Так как вектор скорости может при этом изменяться не только по величине, но и по направлению, то траектория точки в момент удара может получить излом (на траектории образуется угловая точка) (рис. 131).

Рис. 131

Уравнения удара материальной системы

Рассмотрим механическую систему, состоящую из материальных точек. Пусть среди внешних и внутренних сил, действующих на точки системы, будут мгновенные силы, которые обозначим соответственно Тогда для каждой точки системы можно записать основное уравнение удара:

Умножим каждое из этих равенств на r, векторно, где - радиус-вектор точки, соответствующий моменту удара (или бесконечно малому интервалу времени удара). Тогда получим равенство:

Чтобы исключить внутренние мгновенные силы действующие на систему, сложим почленно каждую группу указанных равенств. В результате получим:

так как ранее доказывалось, что для внутренних сил

Но

где Р — количество движения системы.

Кроме того,

где ударный импульс внешней силы, действующей на точку системы. Следовательно, первое из полученных равенств можно записать в виде:

Так как будут количеством движения системы до и после удара, то имеем: изменение количества движения системы за время удцра равно сумме мгновенных импульсов всех внешних сил, действующих на систему.

Если последнее равенство переписать в виде:

или

где соответственно скорости центра инерции системы до и после удара, то имеем: изменение скорости центра инерции за время удара равно сумме всех внешних ударных импульсов, разделенной на массу системы. Наконец, так как

где — кинетический момент системы, то имеем:

где — кинетические моменты системы до и после удара. В свою очередь

где - момент внешнего ударного импульса, действующего на точку.

Итак:

или изменение кинетического момента за время удара равно сумме моментов всех внешних ударных импульсов. Уравнения (19.1) или и (19.2) представляют собой основные уравнения удара механической системы, заменяющие собой теоремы о количестве движения и кинетическом моменте, которые применяются при изучении движения системы, находящейся под действием обычных (конечных) сил.