РУҚА
Тапсырмалар № 21, 23 · ОГЭ

Закон сохранения импульса в двумерном движении

Как применять закон сохранения импульса при столкновениях и разлёте тел под углом
6 мин чтенияҚиындық: Обновлено 27 қыркүйек 2026

В двумерной задаче тела движутся не вдоль одной прямой: после столкновения они могут разлететься под углами. Поэтому закон сохранения импульса записывают отдельно для двух взаимно перпендикулярных осей, обычно \(Ox\) и \(Oy\). Главная идея проста: в замкнутой системе сохраняются векторный импульс и, при выполнении специальных условий, механическая энергия.

Импульс как вектор

Закон сохранения импульса применяют к системе тел, если внешние силы отсутствуют или их импульсом за время взаимодействия можно пренебречь. Импульс тела равен произведению массы на скорость. Поскольку скорость имеет направление, импульс — векторная величина.

D
Определение

Импульс тела: \(\vec p=m\vec v\), где \(m\) — масса тела, а \(\vec v\) — его скорость. Единица импульса в СИ — \(\text{кг}\cdot\text{м/с}\).

\(p\)
импульс
кг·м/с
\(m\)
масса
кг
\(v\)
скорость
м/с
\(E_k\)
кинетическая энергия
Дж

В двумерной системе координат вектор импульса раскладывают на составляющие. Если тело движется со скоростью \(v\) под углом \(\alpha\) к положительному направлению оси \(Ox\), то его проекции имеют знаки, зависящие от направления движения.

\[p_x=mv_x=mv\cos\alpha,\qquad p_y=mv_y=mv\sin\alpha\]
OxOyvα
Разложение скорости и импульса на проекции \(Ox\) и \(Oy\).

Закон сохранения импульса по двум осям

T
Правило для двумерного движения

В замкнутой системе векторная сумма импульсов до взаимодействия равна векторной сумме импульсов после него. Это равенство заменяют двумя скалярными уравнениями: отдельно для оси \(Ox\) и отдельно для оси \(Oy\).

\[\sum p_{x\,\text{до}}=\sum p_{x\,\text{после}},\qquad \sum p_{y\,\text{до}}=\sum p_{y\,\text{после}}\]

Перед записью уравнений выберите положительные направления осей и нанесите скорости всех тел. Проекция, направленная против положительной оси, берётся со знаком «минус». Если тело покоится, его импульс равен нулю.

  1. Выберите систему тел и убедитесь, что внешним импульсом можно пренебречь.
  2. Проведите оси \(Ox\) и \(Oy\).
  3. Разложите каждую скорость на проекции.
  4. Запишите закон сохранения импульса по каждой оси.
  5. Решите полученную систему уравнений и проверьте единицы.

Разложение силы и разложение скорости выполняются по одной геометрической идее: катеты прямоугольного треугольника получают через синус и косинус. Угол всегда нужно отсчитывать от той оси, относительно которой используется косинус.

Удобный выбор осей

Если один из известных импульсов направлен горизонтально, направьте вдоль него ось \(Ox\). Тогда его вертикальная проекция равна нулю, а одно из уравнений заметно упрощается.

Импульс и энергия: что сохраняется

Закон сохранения импульса выполняется для замкнутой системы при любом типе столкновения. С кинетической энергией иначе: она сохраняется только при абсолютно упругом столкновении. При неупругом взаимодействии часть кинетической энергии переходит во внутреннюю энергию, деформацию, звук или нагрев.

\[E_k=\frac{mv^2}{2}\]
T
Различайте два закона

Для любой замкнутой системы: \(\sum\vec p_{\text{до}}=\sum\vec p_{\text{после}}\). Для абсолютно упругого столкновения дополнительно: \(\sum E_{k\,\text{до}}=\sum E_{k\,\text{после}}\). Если тела после удара движутся вместе, столкновение абсолютно неупругое, и кинетическая энергия обычно не сохраняется.

При решении тапсырма сначала выясните, что именно требуется найти и какой вид столкновения описан. Для абсолютно неупругого столкновения в двумерном случае после удара у тел общая скорость, но импульс всё равно нужно сохранять по двум координатам.

Микро-проверка

Тело движется со скоростью \(v\) под углом \(30^\circ\) к оси \(Ox\). Чему равна его проекция импульса на ось \(Oy\)?

Разобранный пример: разлёт после столкновения

Тележка массой \(m_1=2\,\text{кг}\) движется вправо со скоростью \(v_1=3\,\text{м/с}\). Она сталкивается с покоящейся тележкой массой \(m_2=1\,\text{кг}\). После столкновения первая тележка движется со скоростью \(u_1=1\,\text{м/с}\) под углом \(60^\circ\) к оси \(Ox\), а вторая — со скоростью \(u_2\) под углом \(\beta\) ниже оси \(Ox\). Найдём \(u_2\) и \(\beta\). Внешним импульсом пренебречь.

№
Схема шешімдер

До столкновения общий импульс направлен вдоль \(Ox\): \(p_{x\,\text{до}}=m_1v_1\), \(p_{y\,\text{до}}=0\). После столкновения импульсы должны дать тот же вектор.

1
Записываем сохранение импульса по горизонтали. У второй тележки горизонтальная проекция направлена вправо.
\(\displaystyle m_1v_1=m_1u_1\cos60^\circ+m_2u_2\cos\beta\)
2
Записываем сохранение импульса по вертикали. Первая тележка движется вверх, вторая — вниз, поэтому её проекция отрицательна.
\(\displaystyle 0=m_1u_1\sin60^\circ-m_2u_2\sin\beta\)
3
Подставляем числа и обозначаем компоненты импульса второй тележки.
\(\displaystyle 6=1+u_2\cos\beta,\qquad 0=\sqrt3-u_2\sin\beta\)
4
Находим компоненты: \(u_2\cos\beta=5\), \(u_2\sin\beta=\sqrt3\). Модуль скорости получаем по теореме Пифагора.
\(\displaystyle u_2=\sqrt{5^2+(\sqrt3)^2}=\sqrt{28}\approx5{,}29\,\text{м/с}\)
5
Находим угол по отношению вертикальной и горизонтальной составляющих.
\(\displaystyle \tan\beta=\frac{u_2\sin\beta}{u_2\cos\beta}=\frac{\sqrt3}{5},\qquad \beta\approx19{,}1^\circ\)

Жауабы: вторая тележка движется со скоростью примерно \(5{,}29\,\text{м/с}\) под углом \(19{,}1^\circ\) ниже оси \(Ox\). Важно: скорость получилась больше исходной скорости первой тележки, но это не означает автоматически нарушение закона сохранения импульса. Для проверки энергии нужно знать, является ли столкновение упругим.

OxOy$p_0$$p_1$$p_2$
Импульс до столкновения и два импульса после него.

Частые ошибки и проверка ответа

!
Частые ошибки

1. Сохраняют только модули импульсов и забывают, что импульс — вектор. 2. Ставят одинаковые знаки у вертикальных проекций тел, движущихся в разные стороны. 3. Путают \(\sin\alpha\) и \(\cos\alpha\). 4. Принимают сохранение импульса за сохранение кинетической энергии. 5. Используют закон сохранения импульса для одного тела, хотя взаимодействуют два или больше тел. 6. Не переводят граммы и километры в секунду в единицы СИ.

Для контроля результата сравните направления: сумма конечных импульсов должна совпадать с начальным вектором. Если до столкновения вертикального импульса не было, вертикальные конечные компоненты обязаны взаимно компенсироваться. Это особенно полезно в задачах, где тела разлетаются симметрично.

Запомните

Сначала рисунок и знаки проекций, затем два уравнения импульса. Закон сохранения энергии добавляйте только тогда, когда столкновение абсолютно упругое или это прямо следует из условия.

Связь с другими задачами механики

После освоения проекций проще решать тапсырма о нецентральном столкновении, где тела движутся под углами, и тапсырма на импульс до и после столкновения. Если в условии действуют заметные внешние силы, например сила тяжести за длительное время, нужно оценить их импульс и понять, можно ли считать систему замкнутой. Для энергии полезно повторить кинетическую энергию системы.

Q
Жылдам тест по теме

Быстрая проверка

~ 2 мин4 вопроса
Вопрос 1 / 4
Вопрос 1 из 4 · закон сохранения импульса
Какое равенство записывают для оси \(Ox\)?
Главное за минуту

Главное

  • Импульс — вектор: \(\vec p=m\vec v\).
  • В двумерной есепке закон сохранения импульса записывают отдельно по \(Ox\) и \(Oy\).
  • Знаки проекций определяются выбранными направлениями осей.
  • Импульс сохраняется в замкнутой системе, а кинетическая энергия — только при абсолютно упругом столкновении.
  • Надёжный алгоритм: рисунок, оси, проекции, два уравнения, Шешім и проверка направлений и единиц.