The Geometry of Scattering and the Momentum Triangle

Η γεωμετρία της σκέδασης και το τρίγωνο των ορμών

Σχήμα 1 – Σκέδαση σωματιδίου Α υπό γωνία 90° από αρχικά ακίνητο σωματίδιο Β και το αντίστοιχο τρίγωνο ορμών

📘 Εκφώνηση

Η έννοια της κρούσης έχει επεκταθεί και στο μικρόκοσμο, ώστε να περιλαμβάνει φαινόμενα όπου τα «συγκρουόμενα» σωματίδια δεν έρχονται σε επαφή. Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με μεγάλες δυνάμεις όταν πλησιάσουν αρκετά, με αποτέλεσμα την απότομη αλλαγή στην κινητική τους κατάσταση σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Το φαινόμενο λέγεται σκέδαση.

Σωματίδιο Α με κινητική ενέργεια $K_0$ κινείται ευθύγραμμα και σκεδάζεται υπό γωνία $90^\circ$ ως προς την αρχική του διεύθυνση, όταν πλησιάσει αρκετά σε αρχικά ακίνητο σωματίδιο Β. Η μάζα του σωματιδίου Β είναι διπλάσια από τη μάζα του Α.

Α. Να προσδιορίσετε τη διεύθυνση κίνησης του σωματιδίου Β μετά την «κρούση».

Β. Να υπολογίσετε, σε συνάρτηση με την κινητική ενέργεια $K_0$, τις κινητικές ενέργειες των σωματιδίων Α και Β μετά την «κρούση».

🔍 Λύση

Δεδομένα

• Σωματίδιο Α: μάζα $m$, αρχική κινητική ενέργεια $K_0$.
• Σωματίδιο Β: μάζα $2m$, αρχικά ακίνητο ($K_B = 0$).
• Μετά τη σκέδαση, το Α κινείται υπό γωνία $90^\circ$ ως προς την αρχική του διεύθυνση.

Α. Διεύθυνση κίνησης του Β

Από την Αρχή Διατήρησης της Ορμής:

$$\vec{p}_0 = \vec{p}_A + \vec{p}_B$$

Επειδή $\vec{p}_0 \perp \vec{p}_A$, το τρίγωνο ορμών είναι ορθογώνιο. Έτσι, η ορμή του Β σχηματίζει γωνία $\theta$ με την αρχική διεύθυνση, όπου:

$$\tan\theta = \frac{p_A}{p_0} \quad \text{και} \quad p_B = \sqrt{p_0^2 + p_A^2}$$

Από την επίλυση των εξισώσεων (βλ. παρακάτω) προκύπτει:

$$\theta = 30^\circ$$

Συμπέρασμα: Το σωματίδιο Β κινείται υπό γωνία $30^\circ$ ως προς την αρχική διεύθυνση του Α.

Β. Κινητικές ενέργειες μετά την κρούση

Έστω $p_0$ η αρχική ορμή του Α, $p_A$ η ορμή του Α μετά και $p_B'$ η ορμή του Β μετά.

• $p_0 = \sqrt{2mK_0}$
• $p_A' = \sqrt{2mK_A}$
• $p_B' = \sqrt{2(2m)K_B} = \sqrt{4mK_B}$

Από το ορθογώνιο τρίγωνο ορμών:

$$p_B^2 = p_0^2 + p_A^2 \implies 4mK_B = 2mK_0 + 2mK_A \implies 2K_B = K_0 + K_A$$

Από τη διατήρηση της ενέργειας (ελαστική κρούση):

$$K_0 = K_A + K_B \implies K_B = K_0 - K_A$$

Αντικαθιστώντας:

$$2(K_0 - K_A) = K_0 + K_A \implies 2K_0 - 2K_A = K_0 + K_A \implies K_0 = 3K_A$$

$$K_A = \frac{K_0}{3}, \qquad K_B = \frac{2K_0}{3}$$

Επαλήθευση της γωνίας:

$$p_0 = \sqrt{2mK_0}, \quad p_B = \sqrt{4mK_B} = \sqrt{4m \cdot \frac{2K_0}{3}} = \sqrt{\frac{8mK_0}{3}}$$

$$\cos\theta = \frac{p_0}{p_B} = \frac{\sqrt{2mK_0}}{\sqrt{\frac{8mK_0}{3}}} = \sqrt{\frac{2mK_0 \cdot 3}{8mK_0}} = \sqrt{\frac{3}{4}} = \frac{\sqrt{3}}{2} \implies \theta = 30^\circ$$

💡 Σχόλιο

Η σκέδαση υπό γωνία $90^\circ$ οδηγεί σε ορθογώνιο τρίγωνο ορμών. Η σχέση των μαζών $m$ και $2m$ καθορίζει την κατανομή της κινητικής ενέργειας:

$$K_A = \frac{K_0}{3}, \qquad K_B = \frac{2K_0}{3}$$

Αυτό σημαίνει ότι το βαρύτερο σωματίδιο (Β) αποκτά τα 2/3 της αρχικής ενέργειας, ενώ το ελαφρύτερο (Α) διατηρεί το 1/3.

$$\cos\theta = \frac{p_0}{p_B} = \frac{\sqrt{3}}{2} \rightarrow \theta = 30^\circ$$

💡Η άσκηση αποτελεί κλασικό παράδειγμα σκέδασης στον μικρόκοσμο και είναι θεμελιώδης για την επίλυση πιο σύνθετων προβλημάτων σκέδασης, όπως το φαινόμενο Compton .

Λήψη Word Λήψη PDF

Τάσος Τζανόπουλος

Μια πλάγια ελαστική κρούση (από θέμα Ολυμπιάδας Φυσικής)

 

Δύο σφαίρες, ίσων μαζών, συγκρούονται ελαστικά. Αν υ₁, υ₂ και V₁ και V₂ είναι τα μέτρα των ταχυτήτων πριν και μετά την κρούση, αντίστοιχα, και φ η γωνία που σχημάτιζαν οι διευθύνσεις των ταχυτήτων πριν την κρούση, να βρείτε τη γωνία θ που σχηματίζουν οι διευθύνσεις των ταχυτήτων μετά την κρούση.

Εφαρμογή για φ = 30^ο,  υ₁ = 20 m/s,  υ₂ = 10 m/s, V₁ = 10√3 m/s.

Απάντηση:

 Σημείωση: Αλλες προτεινόμενες ασκήσεις με πλάγια κρούση, 

                                  εδώ,, εδώ ,  εδώ, και εδώ

Ένα επιτραπέζιο παιχνίδι

 

Οι σανίδες Α και Β του σχήματος κινούνται μαζί, η μια ακριβώς πάνω στην άλλη, με κοινή ταχύτητα υ, κατά μήκος μιας λείας οριζόντιας επιφάνειας. Κάποια στιγμή η σανίδα Β συγκρούεται πλαστικά και μετωπικά με μια ακίνητη όμοια σανίδα C. Μετά τη σύγκρουση, οι σανίδες B και C κινούνται μαζί, και η σανίδα Α γλιστρά στην πάνω πλευρά της C και σταματά την κίνησή της σε σχέση με τη C στη θέση που φαίνεται στο σχήμα.

Ποιο είναι το μήκος κάθε σανίδας;

Και οι τρεις σανίδες έχουν την ίδια μάζα m, το ίδιο μήκος L και ίδιο σχήμα. Μεταξύ των Α και Β δεν υπάρχει τριβή, ο συντελεστής τριβής ολισθήσεως μεταξύ των σανίδων A και C είναι μ. Η επιτάχυνση g λόγω βαρύτητας είναι γνωστή.  

Η Λύση σε pdf:

Η Λύση σε word:

Ελαστική μετωπική κρούση δύο σφαιρών με αρχική ταχύτητα, όπου τελικά η μια ακινητοποιείται (δύο περιπτώσεις)

 Δύο λείες σφαίρες Α και Β με μάζες m_Α και m_Β, που κινούνται σε λείο οριζόντιο επίπεδο με ταχύτητες υ_Α = 6 m/s και υ_Β = 1,5 m/s, αντίστοιχα, συγκρούονται μετωπικά και ελαστικά.

Α. Να βρείτε το λόγο m_Α/m_Β των μαζών των  δύο σφαιρών ώστε η σφαίρα Α μετά τη σύγκρουση να ακινητοποιηθεί αν οι ταχύτητες των δύο σφαιρών:

 α. έχουν την ίδια κατεύθυνση (ομόρροπες)

 

β. έχουν αντίθετη κατεύθυνση (αντίρροπες)

Β. Να υπολογίσετε την ταχύτητα της σφαίρας Β και στις δύο περιπτώσεις.

Απάντηση: 

Α. α. 0,5,  β. 1,5.    Β. 4,5 m/s,  7,5 m/s

Η Λύση σε pdf:

6. Ένας πολύ μεγάλος αριθμός κρούσεων ανά sec και η πίεση που προκαλούν

Η παρακάτω ερώτηση πολλαπλής επιλογής έχει πέσει σε δημόσιες εξετάσεις εισαγωγής στην ανώτατη εκπαίδευση κάποιας μεγάλης χώρας.

Η μάζα ενός μορίου υδρογόνου είναι 3,32·10^-27 kg. Αν 10²³ μόρια υδρογόνου προσπίπτουν ανά sec σε μια λεία επίπεδη επιφάνεια 2 cm² υπό γωνία 45⁰ με ταχύτητα 10³ m/s και αναπηδούν ελαστικά, τότε η πίεση στην επιφάνεια είναι:

   α. 2,35·10² Ν/m²,   β.  2,35·10³ Ν/m²,   γ. 4,70·10³ Ν/m²  

Σκέφτηκα να βρω τη συνολική μεταβολή ορμής των μορίων και να διαιρέσω με το χρόνο 1s, δηλαδή, (dP₁+dP₂+dP₃+ … +dP_N)/(1 s), αλλά δε βρίσκω αυτή τη σκέψη σωστή, γιατί το πηλίκο αυτό μπορεί να σπάσει σε Ν κλάσματα με παρονομαστή 1 s και έτσι είναι σα να θεωρώ ότι κάθε μεταβολή διαρκεί 1 s. Κάθε τέτοια όμως μεταβολή διαρκεί όσο και η κρούση κάθε μορίου, δηλαδή απειροελάχιστο χρόνο. Έχω μπερδευτεί. 

Απάντηση: 

Ελαστική κρούση σε δυο διαστάσεις.

                         Δύο παραλλαγές της 5.41 του σχολικού

 1η 

Μια σφαίρα Α ακτίνας R κινείται με ταχύτητα v και συγκρούεται ελαστικά με μια άλλη όμοια σφαίρα Β που αρχικά ηρεμεί. Το κέντρο της σφαίρας Β βρίσκεται σε απόσταση b από την ευθεία στην οποία κινείται το κέντρο της Α.

Να βρείτε τις ταχύτητες των δύο σφαιρών μετά την κρούση.

Ταχύτητα απομάκρυνσης προς ταχύτητα προσέγγισης

Δύο σφαιρικές χάντρες Α και Β με μάζες 2m και m, αντίστοιχα, είναι περασμένες σε ένα κατακόρυφο λείο κυκλικό σύρμα ακτίνας 10 m, κατά μήκος του οποίου μπορούν να ολισθαίνουν χωρίς τριβές. Η χάντρα Β βρίσκεται ακίνητη στο κατώτερο σημείο του σύρματος, ενώ η χάντρα Α αρχικά συγκρατείται σε μια θέση, που βρίσκεται στην ίδια οριζόντιο ευθεία με το κέντρο του κυκλικού σύρματος. Αν δώσουμε στην Α μια αρχική ταχύτητα ίση με √60 m/s προς τα κάτω θα συγκρουστεί με τη Β, η οποία, στη συνέχεια, θα ανέλθει ως το αντιδιαμετρικό σημείο από το οποίο ξεκίνησε η Α.

α. Να δείξετε ότι η παραπάνω κρούση δεν είναι ελαστική.

β. Να βρείτε το πηλίκο της ταχύτητας, με την οποία οι χάντρες στο τέλος της κρούσης απομακρύνονται η μία από την άλλη, προς την ταχύτητα της μεταξύ τους προσέγγισης ελάχιστα πριν την κρούση.

γ. Αν η κρούση ήταν ελαστική ποια θα ήταν η τιμή του παραπάνω πηλίκου;

Δίνεται η επιτάχυνση βαρύτητας g = 9,8 m/s². 

Απάντηση:

Τρία τετράγωνα κι ένα στρογγυλό πλακάκι. Μια “περίεργη” κρούση

Ένα λείο επίπεδο στρογγυλό πλακάκι κινείται πάνω σε ένα λείο οριζόντιο επίπεδο και προσπίπτει με ταχύτητα υ σε ένα σύνολο από τρία ίδια τετράγωνα λεία πλακάκια, που βρίσκονται ακίνητα πάνω στο επίπεδο, τοποθετημένα το ένα δίπλα στο άλλο όπως φαίνεται στο σχήμα.

Και τα τέσσερα πλακάκια, το στρογγυλό και τα τρία τετράγωνα, έχουν ίσες μάζες και ίδιο ύψος και η διάμετρος του στρογγυλού είναι ίση με το μήκος της πλευράς κάθε τετράγωνου.

α) Να σχεδιάσετε τις δυνάμεις μεταξύ των σωμάτων στη διάρκεια της κρούσης.

β) Να προσδιορίσετε την ταχύτητα που θα έχει κάθε πλακάκι μετά την κρούση, αν αυτή θεωρηθεί ελαστική.

(Πηγή: SS Krotov, problems In Physics – διασκευή και απόδοση προσαρμοσμένη στις απαιτήσεις των Πανελληνίων) 

Απάντηση:

Δύο σφαίρες σε λείο κυκλικό αυλάκι. Μια όμορφη συμμετρία

Δύο μικρές λείες ελαστικές σφαίρες Α και Β με μάζες 3m και m, αντίστοιχα, ηρεμούν αρχικά μέσα σε ένα οριζόντιο λείο κυκλικό αυλάκι σε θέσεις αντιδιαμετρικές. Τη στιγμή t = 0 δίνουμε μια ώθηση στη σφαίρα Α, η οποία αρχίζει να κυλά με σταθερή γραμμική ταχύτητα υ και μετά από χρόνο t₀ = 2 sec συγκρούεται για 1^η φορά, κεντρικά, με τη σφαίρα Β.

Να βρείτε:

α. Ποια χρονική στιγμή και σε ποια θέση οι δύο σφαίρες θα συγκρουστούν για 2^η φορά.

Δύο σφαίρες σε λείο κυκλικό αυλάκι και «το παράδοξο της 2ης κρούσης»

Δύο μικρές λείες ελαστικές σφαίρες τοποθετούνται σε ένα οριζόντιο λείο κυκλικό αυλάκι, σε θέσεις αντιδιαμετρικές. Σπρώχνουμε τις δύο σφαίρες να κινηθούν αντίθετα με ταχύτητες υ_Α και υ_Β, αντίστοιχα. Οι δύο σφαίρες κινούνται με σταθερή γωνιακή ταχύτητα και μετά από χρόνο t₀ συγκρούονται κεντρικά.

α. Σε πόσο χρόνο οι δύο σφαίρες θα ξανασυγκρουστούν;

Κρούση δύο σφαιρών μετά από ελεύθερη πτώση και το παράδοξο του μέγιστου ύψους

Δύο ελαστικές σφαίρες με μάζες m₁  και m₂, αφήνονται διαδοχικά να πέσουν από το ίδιο ύψος h πάνω σε οριζόντιο επίπεδο. Οι σφαίρες κινούνται επάνω στην ίδια κατακόρυφο. Αφήνεται πρώτα η σφαίρα μάζας m₁ και αμέσως μετά η σφαίρα μάζας m₂. Η σφαίρα μάζας m₁ προσκρούει στο οριζόντιο επίπεδο και αρχίζει να κινείται κατακόρυφα προς τα επάνω. Μόλις αποχωριστεί από το επίπεδο συγκρούεται μετωπικά με την κατερχόμενη   σφαίρα μάζας m₂. Όλες οι κρούσεις είναι ελαστικές και γίνονται πάνω στην ίδια κατακόρυφο.

α. Για ποια τιμή του λόγου m₂/ m₁ των μαζών, η σφαίρα μάζας m₂, μετά την κρούση, αποκτά το μεγαλύτερο δυνατό ποσοστό της συνολικής ενέργειας του συστήματος;

β. Για ποια τιμή του λόγου m₂/ m₁ των μαζών των δύο σφαιρών, η σφαίρα με μάζα m₂ θα ανέλθει στο μέγιστο δυνατό ύψος;  Να δικαιολογήσετε την απάντησή σας.

Να θεωρηθεί ότι, όταν οι σφαίρες συγκρούονται, έχουν διανύσει την ίδια κατακόρυφη απόσταση h από το σημείο εκκίνησης. Η αντίσταση του αέρα θεωρείται αμελητέα.

 

          Απάντηση:

Κρούση με τριβή, πώς αντιμετωπίζεται

Ένα κιβώτιο μάζας Μ = 5 kg κινείται σε οριζόντιο επίπεδο. Ένα σώμα μάζας m = 1 kg πέφτει κατακόρυφα πάνω στο κιβώτιο με ταχύτητα υ₁ = 10 m/s, ακριβώς τη στιγμή που αυτό περνά από κάτω του κινούμενο με ταχύτητα υ₂ = 2 m/s. Η κρούση είναι πλαστική και διαρκεί αμελητέο χρόνο.

Ποια είναι η ταχύτητα του συσσωματώματος μετά την κρούση, αν ο συντελεστής τριβής ολισθήσεως μεταξύ κιβωτίου και οριζοντίου επιπέδου είναι μ = 0,4; 

(πηγή: HOLICS, Lázló. 300 Creative Physics Problems)

Απάντηση

Μια πλάγια ελαστική κρούση (από θέμα Ολυμπιάδας Φυσικής)

Δύο σφαίρες, ίσων μαζών, συγκρούονται ελαστικά. Αν υ₁, υ₂ και V₁ και V₂ είναι τα μέτρα των ταχυτήτων πριν και μετά την κρούση, αντίστοιχα, και φ η γωνία που σχημάτιζαν οι διευθύνσεις των ταχυτήτων πριν την κρούση, να βρείτε τη γωνία θ που σχηματίζουν οι διευθύνσεις των ταχυτήτων μετά την κρούση.

Εφαρμογή για φ = 30^ο,  υ₁ = 20 m/s,  υ₂ = 10 m/s, V₁ = 10√3 m/s.

Απάντηση:

ΠΕΝΤΕ ΤΑΛΑΝΤΩΣΕΙΣ ΜΕ ΟΡΙΖΟΝΤΙΟ ΕΛΑΤΗΡΙΟ ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΚΡΟΥΣΗ

1. Όπου θα μας απασχολήσει η μέγιστη ισχύς της δύναμης ελατηρίου.

 Σώμα μάζας M = 1kgr βρίσκεται πάνω σε λείο οριζόντιο επίπεδο και είναι προσδεμένο στην άκρη οριζόντιου ελατηρίου σταθεράς k = 100 Ν/m, η άλλη άκρη του οποίου είναι στερεωμένη ακλόνητα.

  Θέτουμε το σώμα σε α.α.τ. πλάτους  A₁ = 3,2 m.  Ένα βλήμα μάζας m = 0,21 kgr που κινείται στη διεύθυνση του άξονα του ελατηρίου με ταχύτητα υ = 100 m/sec, συγκρούεται πλαστικά με το σώμα, τη στιγμή που αυτό βρίσκεται  στη θέση ισορροπίας του, κινούμενο προς το βλήμα. Να υπολογίσετε:

2. Πλαστική κρούση με αύξηση της ενέργειας ταλάντωσης; Κι όμως γίνεται!

Σώμα μάζας M = 2,5 kgr βρίσκεται πάνω σε λείο οριζόντιο επίπεδο και είναι προσδεμένο στην άκρη οριζόντιου ελατηρίου σταθεράς k = 100 Ν/m. Το άλλο άκρο του ελατηρίου είναι στερεωμένο σε ακλόνητο τοίχο.

  Θέτουμε το σώμα σε α.α.τ. πλάτους 0,5 m.  Ένα βλήμα μάζας m = 0,5 kgr που κινείται στη διεύθυνση του άξονα του ελατηρίου με ταχύτητα υ = 30 m/sec, συγκρούεται με το σώμα, τη στιγμή που αυτό βρίσκεται  στην αρνητική ακραία θέση του, και σφηνώνεται σ’ αυτό. Να προσδιορίσετε:

α)  Την ενέργεια ...

Συνέχεια ...

3. Όπου το μέτρο του ρυθμού μεταβολής της δυναμικής ενέργειας του ελατηρίου είναι ζητούμενο

 Σώμα μάζας M₁ = 1 kgr βρίσκεται πάνω σε λείο οριζόντιο επίπεδο και είναι προσδεμένο στην άκρη οριζόντιου ελατηρίου που έχει σταθερά k = 100 Ν/m και το άλλο του άκρο στερεωμένο ακλόνητα.
 Θέτουμε το σώμα αυτό σε α.α.τ. πλάτους Α₁ =√ 2 m.  Ένα άλλο σώμα μάζας Μ₂ = 2 kgr, που κινείται στη διεύθυνση του άξονα του ελατηρίου με ταχύτητα υ₂ = 20 m/sec, συγκρούεται πλαστικά με το πρώτο σώμα  στη θέση όπου η κινητική ενέργεια ταλάντωσης είναι ίση με το μισό της ενέργειας ταλάντωσης. Το συσσωμάτωμα, που δημιουργείται, ξεκινά μια νέα α.α.τ. με πλάτος Α₂. Η απομάκρυνση του Μ₁ στη θέση της σύγκρουσης είναι θετική και πριν τη σύγκρουση κινούνταν προς τη θετική ακραία θέση, αντίθετα από το Μ₂. Να προσδιορίσετε: 

Συνέχεια ...

4. Ρυθμός μεταβολής του μήκους του ελατηρίου και μηδενισμός της ισχύος της δύναμής του

 Πάνω σε ένα λείο οριζόντιο επίπεδο ηρεμεί αρχικά, δεμένο στο ένα άκρο ενός οριζόντιου ελατηρίου, σώμα μάζας M = 2 kgr. Το ελατήριο έχει σταθερά ελαστικότητας k = 200 Ν/m και η άλλη άκρη του είναι στερεωμένη ακλόνητα.

  Θέτουμε το σώμα αυτό σε α.α.τ. πλάτους Α₁ =√ 2 m. Ένα άλλο σώμα μάζας m = 0,25 kgr, που κινείται στη διεύθυνση του άξονα του ελατηρίου με ταχύτητα υ₂ = 80 m/sec, συγκρούεται πλαστικά με το πρώτο σώμα, τη στιγμή που αυτό βρίσκεται  στη θέση όπου η δυναμική ενέργεια ταλάντωσης είναι ίση με την κινητική του. Το συσσωμάτωμα που δημιουργείται ξεκινά μια νέα α.α.τ με πλάτος Α₂. Η απομάκρυνση του Μ στη θέση της σύγκρουσης είναι θετική και πριν τη σύγκρουση κινούνταν προς τη θετική ακραία θέση, αντίθετα από το m.

Α. Να προσδιορίσετε:

Α1. Το ρυθμό μεταβολής του μήκους του ελατηρίου ελάχιστα ... 

Συνέχεια ... 

5. Όπου με κατάλληλη ταχύτητα του ενός σώματος έχουμε τις ελάχιστες δυνατές απώλειες ενέργειας

Σώμα μάζας M = 1 kgr βρίσκεται πάνω σε λείο οριζόντιο επίπεδο και είναι προσδεμένο στην άκρη οριζόντιου ελατηρίου σταθεράς  k  = 100 Ν/m, η άλλη άκρη του οποίου είναι στερεωμένη ακλόνητα. 

  Θέτουμε το σώμα σε α.α.τ. πλάτους  A₁ = 1 m.  Ένα βλήμα μάζας m = 0,08 kgr,  που κινείται στη διεύθυνση του άξονα του ελατηρίου με ταχύτητα υ₁, συγκρούεται πλαστικά με το σώμα, τη στιγμή που αυτό βρίσκεται  στη θέση x = -0,6 m, κινούμενο με ταχύτητα υ προς την αρνητική ακραία θέση. Μετά την κρούση το συσσωμάτωμα κάνει α.α.τ. με πλάτος Α΄= 1,2 m.

Να υπολογίσετε:  ....

Συνέχεια ...