Задание OGEPHYS5B6946: Закон сохранения импульса для замкнутой системы тел. Реактивное движение

Массы шаров m₁ = 2 кг и m₂ = 1 кг. Второй шар до удара неподвижен: v₂ₓ = 0. Начальная скорость первого шара v₁ = 3 м·с⁻¹.

Выберем систему отсчёта Земли, ось Ox направим вдоль начальной скорости первого тела, Oy — вверх. В течение короткого удара внешним импульсом вдоль Ox пренебрегаем. Тяжесть каждого тела направлена вниз; при движении по горизонтальной опоре её нормальная реакция направлена вверх. Эти силы не дают проекций на Ox. Силы взаимодействия тел обозначим F₂₁ на первом и F₁₂ на втором: их проекции противоположны.
Второй закон Ньютона для каждого тела вдоль Ox:
m₁a₁ₓ = F₂₁ₓ;
m₂a₂ₓ = F₁₂ₓ.
По третьему закону Ньютона F₂₁ₓ + F₁₂ₓ = 0. Поэтому изменения импульсов взаимно компенсируются и сохраняется суммарная проекция импульса системы:
m₁v₁ₓ + m₂v₂ₓ = (m₁ + m₂)u_x.
После абсолютно неупругого удара тела движутся совместно, их конечная скорость одна. Кинетическая энергия при таком ударе обычно уменьшается.

Для неподвижного второго шара получаем:
m₁v₁ = (m₁ + m₂)u.
Выражаем искомую скорость:
u = m₁v₁m₁ + m₂.
Подставляем данные:
u = 2 кг · 3 м·с⁻¹2 кг + 1 кг = 2 м·с⁻¹.
Знак положителен: совместное движение направлено так же, как первоначальное движение первого шара.

Проверка. До удара суммарный импульс равен 2 · 3 = 6 кг·м·с⁻¹. После удара он равен (2 + 1) · 2 = 6 кг·м·с⁻¹. Общая скорость 2 м·с⁻¹ меньше начальной скорости 3 м·с⁻¹, поскольку тот же импульс теперь приходится на большую массу. Ответ: 2 м·с⁻¹.