Физический смысл импульса силы

По моим наблюдениям, а наблюдение – это один из основных методов научного познания, одна из основных проблем современного обучения физике заключается в том, что обучаемые в своем подавляющем большинстве либо вообще не знают, что такое импульс силы, либо не понимают физического смысла импульса силы.

Петр Иванович Дубровский, добросовестный инженер – исследователь, честный и непредвзятый частный научный детектив.

Аристипп Киренейский

А ведь «детей надо учить тому, что пригодится им, когда они вырастут», – изрёк однажды ученик и друг Сократа Аристипп Киренейский (Ἀρίστιππος), живший, как утверждает официально узаконенная версия мировой истории, примерно 2400 лет тому назад. И хотя у меня есть вполне обоснованные сомнения насчёт 2400 лет, высказанная когда-то Аристиппом мысль до сегодняшнего дня не потеряла актуальности.

Итак, в чем же заключается физический смысл импульса силы.

В начале давайте определимся с терминологией, а то некоторые умные головушки, авторы некоторых современных школьных учебников по физике, начали выдавать «на гора» такие определения, что я бы порекомендовал срочно начать их принудительное лечение галоперидолом.

Адекватное определение энергия я смог найти только в учебнике «Физика 10 класс», написанным Г.Я. Мякишевым, Б.Б. Буховцевым и Н.Н.Сотским (цитирую):

Энергия характеризует способность тела (или системы тел) совершать работу. Или – если система тел может совершить работу, то мы говорим, что она обладает энергией.

Это определение энергии совсем не ново, так как оно встречается в учебнике «Физика» конца XIX века, написанным русским физиком и педагогом Константином Дмитриевичем Краевичем.

Константин Дмитриевич Краевич (1833—1892)

Вот сканы из седьмого издания учебника «Физика» Краевича, 1880 год, Санкт-Петербург, Типография Министерства Путей Сообщения (А Бенке), по Фонтанке, № 99.

Я предлагаю также пользоваться и другими определениями из «Физики» Н.Д. Краевича, которые не потеряли своей актуальности:

Также мне понадобится определение импульса силы. У русской барышни Вики (русскоязычной Википедии) я нашёл вполне подходящее определение:

Импульс силы — это векторная физическая величина, равная произведению силы на время её действия, мера воздействия силы на тело за данный промежуток времени.

То есть импульс силы p = Ft, где

F – сила, действующая на тело

t – время действия этой силы на тело

Для более «продвинутых» читателей, знакомых с интегралами, скажу, что, так как сила может изменяться в течение времени, следует использовать формулу:

Начну объяснения физического смысла импульса силы на примере движущегося автомобиля. Когда мы на заправочной станции заливаем в бензобак (в топливный бак) автомобиля бензин (или дизельное топливо), то это можно расценивать как передаче автомобилю некоей потенциальной энергии, то есть энергии, которая при определенных условиях – сгорание в цилиндре горючей смеси бензина и атмосферного воздуха создаёт избыточное давление с одной стороны поршня внутри цилиндра, что и приводит к возникновению «движущей силы» – и приводит в конце концов автомобиль в движение, заставляет автомобиль совершить работу.

Движению автомобиля, как и движению любого материального тела в условиях Земли, препятствуют разные силы, которые принято называть силами сопротивления движению. Сила тяги, то есть «движущая сила» автомобиля, развиваемая двигателем, передаётся через ведущие колеса автомобиля, как раз и расходуется на преодоление этих сил.

К силам сопротивления движению автомобилей относятся:

- все силы трения – в двигателе и трансмиссии автомобиля, включая трение в подшипниках в ступицах колёс и трение качения колёс по дороге (Ff);

- сила сопротивления уклона (Fi);

- сила сопротивления воздуха (Fw).

Допустим, Вам необходимо съездить на своём автомобиле полной снаряженной массой m = 2 тонны в соседний город, расположенный в 200 км от Вашего города и вернуться назад. Предположим, что дорога ровная, на дороге нет уклонов, поэтому Fi = 0, и Вы планируете совершить эту поездку на скорости 100 км/час. Предположим, что на такой скорости расход бензина для Вашего автомобиля составляет 10 литров на 100 километров.

Разгон и торможение автомобиля мы рассмотрим позднее.

Очевидно, что для такой поездки Вам необходимо запастись не менее чем 40 литрами «потенциальной энергии», вернее, 40 литрами бензина. Если автомобиль движется равномерно и прямолинейно, это, в полном соответствии с первым законом Ньютона, означает, что равнодействующая всех сил, действующих на автомобиль, равна нулю, то есть, в горизонтальной плоскости, Fдвиж = Ff + Fw

А также это означает, что после разгона всё топливо (потенциальная энергия этого топлива) будет расходоваться исключительно на поддержание скорости Вашего автомобиля.

Итак, Ваш автомобиль движется с равномерной скоростью в 100 км/час и расходом при таком режиме 10 литров на 100 километров. Это означает, что

1. Двигатель вашего автомобиля постоянно, каждую секунду, каждое мгновение своей работы, создаёт движущую силу Fдвиж = Ff + Fw

Предположим, что для указанных условий Fдвиж = 4000 Ньютонов

Как можно определить требуемую движущую силу, я расскажу на следующих уроках, и даже предложу повести эти уроки методом практических занятий и закрепим это решением задач.

2. Для преодоления сил сопротивления движению на каждые 100 километров дороги двигатель создаёт эту самую движущую силу в продолжении 1 часа, то есть 3600 секунд, а на всю дорогу целиком – 4 часа или 14400 секунд.

То есть, на совершение работы (поездки в соседний город и обратно, в общей сложности 400 км) двигатель Вашего авто отработал в определенном режиме, обеспечивая равномерное движение автомобиля со скоростью 100 км/час, в течение 14400 секунд, постоянно создавая движущую силу величиной 4000 Ньютонов.

Для совершения работы потребовалась потенциальная энергия 40 литров бензина. И эта потенциальная энергия была израсходована на создание импульса силы, полная величина которого равна

p = 4000 Н * 14400 сек = 57,6 миллиона Н*сек

То есть импульс силы – это и есть та физическая величина, которая на самом деле совершает работу. В этом и заключается физический смысл импульса силы.

Проблема в том, что ни учителя физики, ни профессорско-преподавательский состав вузов, ни академики РАН не понимают таких простых вещей.

А теперь скажите мне,

1. Я в чём-то неправ? Если я неправ, то в чём именно?

2. Куда и каким образом мне пристегнуть к этому объяснению нынешнюю «кинетическую энергию»?

3. Ну, и если что непонятно, задавайте свои вопросы, я разъясню всё на следующих уроках – просто мне надо знать, каким моментам мне следует уделить особое внимание.