Text Úloha Prolblém Aplikace Domů
Text

Impulz síly je vektorová  fyzikální veličina, která vyjadřuje časový účinek působení síly. Velikost impulzu síly závisí na velikosti  síly a na čase, po který tato síla působila. Čím delší dobu síla působí, tím větší je její účinek. Impulz síly je určen jako součin síly a časového intervalu

,

kde je F konstantní  síla působící po dobu Δt.

Pokud síla během svého působění konstantní není a mění se podle analytického předpisu, lze impulz síly vyhodnotit pomocí infinitezimálního počtu

.

Impulz síly odpovídá podle Newtonova zákona síly změně hybnosti tělesa Δp, resp. dp

, resp.

Síla je vektorová  fyzikální veličina, která vyjadřuje míru vzájemného působení látkových těles nebo polí. Časové účinky síly jsou vektorové, tj. statické (deformační), anebo dynamické (impulz síly je příčinou změny  pohybového stavu tělesa (např. uvedení tělesa z  klidu do pohybu nebo naopak), resp. změny velikosti nebo směru rychlosti tělesa. Taková změna je (v inerciální soustavě) vždy podmíněna působením jiných těles, ať už přímým dotykem (nárazem, třením, tažením, tlačením) nebo prostřednictvím  silového pole.

V Newtonově mechanice je časový účinek síly spojován přesně řečeno s existencí síly působící mezi interagujícími tělesy, nejde o „pouhé“ starověké chápání síly jako izolované příčiny pohybu nebo deformace. Pojem síly je v moderní klasické fyzice zobecněn o tzv. zdánlivé síly, které mají původ nikoliv pouze v dotykovém vzájemném působení těles, případně v bezdotykovém vzájemném působení polí (magnety se přitahují nebo odpuzují, aniž se vzájemně dotýkají), ale rovněž ve  zrychleném pohybu příslušné vztažné soustavy (setrvačné síly v tzv. neinerciálních soustavách, např. působení síly na člověka ve výtahu).

Dráhové účinky síly jsou naopak skalárního charakteru, definujeme takto mechanickou práci.

Úloha

Verbální zadání:

Samopal vystřelí 600 střel za minutu. Každá střela má hmotnost 4 g, rychlost střely při opouštění hlavně je 500 m·s-1. Určitě průměrnou velikost síly, kterou tlačí na rameno střelce.

Matematizované zadání:

600 střel za 60 s, tj. 1 střela za t = 0,1 s ; m1 = 0,004 kg ; v1 = 500 m·s-1

F = ?

Fyzikální vztahy jako návod pro řešení:

 

Obecný a konkrétní výsledek:

 

 

Odpověď:

Samopal tlačí na rameno střelce průměrnou silou F = 20 N.

Problém

Verbální zadání:

Urči z dané grafické závislosti velikost impulsu síly.

Návod řešení:

PASCO je současný vzdělávací SŠ systém, který slouží jako kompletní platforma pro realizaci experimentů ve výuce přírodních věd. Měří se časový průběh síly během nárazu vozíku elektronickým siloměrem a počítač snímá časovou závislost změny polohy demonstračního vozíku na vozíčkové dráze.

Závěr:

Impuls síly lze určit z grafu závislosti síly na čase jako obsah plochy pod grafem. Odpovídá současně změně hybnosti vozíku.

Aplikace

Vysvětlete význam impulsu síly pro bezpečnost v dopravě (zpomalení nárazu znamená zmenšení síly působící na cestující), resp. význam náhlé změny impulsu momentu síly při sebeobraně nebo při bojových sportech.

Airbag je zařízení pasivní bezpečnosti používané zejména v automobilech. Jde o vak, který se v případě nehody automaticky nafoukne před pasažérem a zbrzdí tak náraz jeho těla, které by se jinak mohlo zranit o volant, sklo či jinou část automobilu. Airbag sám pouze zpomaluje náraz, není však schopen pasažéra zadržet, proto je nutné jej používat pouze v kombinaci s  bezpečnostními pásy. Ze statistik vyplývá, že airbag podstatně snižuje riziko smrti či vážného zranění.

Ve sportovních a bojových aktivitách, u kterých je cílem rotovat co nejrychleji, sportovci zaujímají na začátku pohybu polohu o větším momentu setrvačnosti, aby mohli déle působit momentem síly a maximalizovat impuls momentu síly a tím změnu momentu hybnosti. Jakmile je vytvořen dostatečný moment hybnosti, sportovci zaujmou naopak polohu o nižším momentu setrvačnosti a zvýší tak rychlost rotace ve správný okamžik.

Například chvat judisty je dokončen rotací soupeřova těla kolem osy otáčení procházející jeho chodidly, především pravým. Na rotaci se podílí i otáčivý účinek soupeřovy vlastní tíhy.

Jiným příkladem je krasobruslař, který vytváří rotaci kolem longitudinální osy tak, že stojí na špičce nože jedné brusle a druhou se odráží od ledu. Noha, kterou se krasobruslař odráží, by měla být co nejdále od longitudinální osy, aby byl vytvořen co největší moment síly. Pokud krasobruslař rozložení hmotnosti svého těla vzhledem ke své ose rotace minimalizuje, tj. zaujme co nejmenší moment setrvačnosti vzhledem k longitudinální ose, potom při odrazu dostatečně zrychluje. Při dalším odrazu má již vysokou úhlovou rychlost a tím měně času na odraz. Proto může krasobruslař „rozbalit“ své tělo, aby zvýšil moment setrvačnosti těsně před odrazem. Výsledkem většího momentu setrvačnosti je poté menší úhlová rychlost kolem longitudinální osy. Jinými slovy: tím více času má krasobruslař na odraz, čím déle působí silou při odrazu, tj. tím větší impuls momentu síly udělí svému pohybu a takto dojde k větší změně jeho momentu hybnosti.

Podobně diskaři na začátku hodu diskem zaujmou polohu o maximálním momentu setrvačnosti a na konci vrhu při vypuštění disku je jejich moment setrvačnosti daleko menší.

Termín impulz znamená významově náraz, proto je tato fyzikální veličina veličina v technické praxi velmi vhodná k popisu vlivu tzv. nárazových sil, které působí po velmi krátkou dobu a mají značnou velikost. Využívá se tedy při studiu rázu těles, rovněž náhlé změny hybnosti lze užít při kování nebo zatloukání.