Импульс, или количество движения – это мера механического движения. Например, для материальной точки он равен произведению ее массы на скорость. Импульс – величина векторная, направленная так же, как скорость. Под действием силы импульс точки изменяется в общем случае и численно и по направлению; это изменение определяется вторым (основным) законом динамики – законом Ньютона. Для системы, не испытывающей внешних воздействий, или в случае, когда векторная (геометрическая) сумма действующих на систему внешних сил равна нулю, имеет место закон сохранения импульса. При этом импульсы отдельных частей системы (например, под действием внутренних сил) могут изменяться, но так, что полный (результирующий) импульс остается неизменным. Закон сохранения импульса объясняет такие хорошо знакомые явления, как реактивное движение, отдача (или откат) при выстреле, работа гребного винта или весел. Так, если рассматривать ружье и пулю как одну систему, то давление пороховых газов при выстреле будет для этой системы силой внутренней и не может изменить импульс системы, равный до выстрела нулю. Поэтому, сообщая пуле некоторый импульс, направленный к дульному срезу, пороховые газы сообщат одновременно ружью численно такой же импульс, но противоположный по направлению. Этот импульс представляет собой импульс отдачи. Импульсом обладают и физические поля, например, электромагнитное. Его действие напрямую связано с эффектом светового давления.
Другой важной мерой механического движения системы (в простейшем случае, материальной точки) является момент количества движения (МКД). Особенно важную роль МКД играет во вращательном движении. Вычисления МКД необходимы в небесной механике, в теории движения искусственных спутников Земли, космических летательных аппаратов и др. Для материальной точки, вращающейся вокруг некоторого центра, численное значение МКД равно произведению модуля импульса точки на радиус вращения. Для более сложных систем вводится понятие о главном МКД относительно центра или оси вращения, равном геометрической или алгебраической сумме МКД всех составляющих системы. Для тел вращения главный МКД определяется моментом инерции тела и угловой скоростью его вращения вокруг данной оси. Изменение главного МКД системы происходит только под внешним воздействием. Если оно отсутствует, то выполняется закон сохранения МКД. Внутренние силы не могут изменить МКД системы, но МКД отдельных ее частей или угловые скорости вращения под действием таких сил могут изменяться. Впечатляет гигантский диапазон «работы» закона сохранения МКД: он выполняется для вращения электрона вокруг ядра в атоме (здесь МКД составляет L~ 10-34 кг.м2/с), вращения колеса велосипедиста (L ~3 кг.м2/с), вращения Земли вокруг своей оси (здесь по порядку величины L ~ 6.1033 кг.м2/с). Наглядные примеры действия закона сохранения МКД хорошо известны. Так, изменяя движением рук или ног «эффективный радиус» своего тела, фигуристка или балерина изменяет центробежный момент инерции для вертикальной оси, и, как следствие закона сохранения МКД, изменяется ее угловая скорость вращения вокруг этой оси. Понятие о МКД широко используется в науке и технике, в частности, в теории гироскопов. МКД обладают физические поля. Большинству элементарных частиц присущ собственный, внутренний МКД – спин. Важное значение МКД имеет в квантовой механике.
Так же как и закон сохранения энергии, законы сохранения импульса и МКД обладают всеобщностью, обязанной своим происхождением свойствам симметрии физических систем. При этом симметрия выступает как инвариантность физических законов относительно некоторой группы преобразований и проявляется как симметрия пространства–времени (Мира), в котором движутся материальные тела. Если сохранение энергии связано с однородностью времени, то сохранение импульса и МКД связано соответственно с однородностью пространства (инвариантность относительно пространственных сдвигов) и изотропностью пространства (инвариантность относительно вращений пространства).
В заключение этого раздела отметим, что еще одним фундаментальным строгим законом сохранения является закон сохранения заряда. Он заключается в том, что алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой (электрически изолированной) системы остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри этой системы. Последовательное открытие носителей зарядов разных знаков (электрона, протона, а затем и других заряженных элементарных частиц и античастиц) показало, что заряд дискретен и его величина для любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда. В области физических явлений, где не происходит взаимопревращения частиц, закон сохранения заряда можно рассматривать как следствие сохранения числа частиц. Исследование взаимных превращений элементарных частиц показало, что, несмотря на то, что число частиц здесь не сохраняется,– закон сохранения заряда выполняется строго. Закон сохранения заряда вместе с законом сохранения энергии предсказывает устойчивость по отношению к потере заряда для самой легкой заряженной частицы – электрона (и позитрона) – в течение 5.1021 лет.
Законы сохранения играют большую роль в квантовой теории, в частности, в теории элементарных частиц. Законы сохранения определяют здесь правила отбора, согласно которым реакции с элементарными частицами, которые привели бы к нарушению законов сохранения, в природе не реализуются. В дополнение к основным законам сохранения, рассмотренным выше и имеющим место в Макромире, в физике элементарных частиц возникло много специфических законов сохранения, позволяющих интерпретировать наблюдаемые на опыте правила отбора. Таков, например, закон сохранения барионного заряда, закон сохранения четности при сильном взаимодействии, и др., одно перечисление которых выходит за рамки нашего курса.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему