Warto przeczytać

Wyobraźmy sobie tor powietrzny, na którym umieszczony został bardzo lekki wózek, a na wózku znajduje się karabinek pneumatyczny. Przyjmijmy, że masa wózka jest znacznie mniejsza niż masa karabinka. Pomiędzy wózkiem a torem nie występuje tarcie, ponieważ wózek unosi się nad torem dzięki sile podmuchu F p . Oznacza to, że siła grawitacji F g równoważona jest siłą podmuchu. Dzięki temu możemy uznać taki układ za układ izolowanyukład izolowany ciałukład izolowany, ponieważ wszystkie niezrównoważone siły wewnętrzne działają w kierunku poziomym. Siły zewnętrzne nie mają wpływu na układ. W pewnej chwili z karabinka o masie M = 2 k g  wystrzeliwany jest pocisk o masie m = 4 g w kierunku poziomym. Prędkość wylotowa pocisku wynosi vm=50ms. Zastanówmy się, jakie będą skutki wystrzału. Zgodnie z zasadą zachowania pędu:

„W układzie odosobnionym całkowity pęd tego układu pozostaje stały.”

A zatem karabinek po wystrzale uzyska pewną prędkość vM w kierunku poziomym, ale zwrot wektora prędkości v M , jest przeciwny względem wektora prędkości v m . Wykonajmy rysunek pomocniczy.

R16oOmzWDBIC5
Rys. 1. Wystrzelenie pocisku.

Początkowy pęd układu przed wystrzałem jest równy zero, ponieważ wózek wraz z  karabinkiem pozostają w spoczynku. Po wystrzale pęd układu możemy zapisać jako sumę pędów pocisku p m i  karabinka p M

pk=pm+pM=mvm+MvM.

Zgodnie z zasadą zachowania pędu, pęd końcowy jest równy pędowi początkowemu

pk=pp.

A zatem pęd końcowy również jest równy zero:

m v m + M v M = 0 M v M = m v m .

Ruch obu elementów układu odbywa się w przeciwnych kierunkach. Uwzględniając zwroty wektorów prędkości, możemy wyznaczyć prędkość, z jaką poruszać się będzie wózek wraz z  karabinkiem po wystrzale

vM=mMvm=0,004 kg2 kg50ms=0,1ms.

Zauważmy, że masa karabinka jest znacznie większa niż masa pocisku. Wynika z tego, że prędkość karabinka po wystrzale jest znacznie mniejsza niż prędkość pocisku

v M v m = 1 500     v m = 500   v M .

Występowanie ruchu karabinka w kierunku przeciwnym do zwrotu prędkości wystrzelonego pocisku nazywamy odrzutem. Zjawisko to wynika z zasady zachowania pędu, a jeśli chcielibyśmy zagłębić się dalej, możemy stwierdzić, że zjawisko odrzutu - na poziomie fundamentalnym - wynika z III zasady dynamiki.

Zauważmy, że analizowane zagadnienie jest przypadkiem wyidealizowanym, ponieważ np. na okrętach wojennych armaty nie są instalowane na torach powietrznych. Jednak w tym przypadku zjawisko odrzutu również występuje. Różnica polega na tym, że ruchowi armaty przeciwdziała siła tarcia pomiędzy armatą a podłożem. Dlatego działo okrętowe należy przymocować do stanowiska strzelniczego, aby nie odsunęło się ono zbyt daleko i zbyt gwałtownie.

Zjawisko odrzutu jest powszechnie wykorzystywane w przyrodzie. Jako przykład możemy podać płaszczkę, która, aby poruszać się, dokonuje skurczu mięśni i odpycha wodę znajdującą się pod nią. W technice również wykorzystujemy zjawisko odrzutu. Najpopularniejszym przykładem są silniki rakietowe, w których podczas lotu wyrzucane są z dużą prędkością gazy spalinowe.

Słowniczek

układ izolowany ciał
układ izolowany ciał

(ang.: isolated system) układ mechaniczny, na który nie działają żadne siły zewnętrzne. Pęd takiego układu jest wartością stałą.