PHY1001 · 14. hafta · Linear Momentum and Collisions: Linear Momentum and its Conservation, Impulse and Momentum, Collision in One and Two Dimension, Center of Mass, Motion of a System of Particles, Rocket Propulsion

Momentum, impuls ve çarpışmalar

Doğrusal momentum, impuls-momentum teoremi, bir ve iki boyutta esnek ve esnek olmayan çarpışmalar. Final sınavının en çok soru getiren bölümlerinden biri.

linear momentumconservation of momentumisolated systemimpulseimpulse-momentum theoremaverage forceelastic collisioninelastic collisionperfectly inelastic collisionglancing collision

Bu haftaya kadar hep tek bir cismin hareketini inceledin. Momentum (linear momentum), iki ya da daha fazla cismin etkileştiği durumlar için en güçlü araçtır. Çarpışmada kuvvetler çok kısa sürede, çok büyük ve karmaşık biçimde değişir. Onları bilmeden de çarpışmadan önce ve sonra ne olduğunu bulabilirsin. Çünkü dış kuvvet yoksa toplam momentum değişmez.

Altın kurallar:

  1. p⃗=mv⃗\vec p = m\vec v. Vektördür, işaret ve bileşen önemli.
  2. Dış kuvvet yoksa toplam momentum korunur. Bütün çarpışmalarda (esnek ya da değil).
  3. Kinetik enerji sadece esnek çarpışmada korunur.
  4. İki boyutta x ve y bileşenleri ayrı ayrı korunur.

Doğrusal momentum

Bir cismin momentumu kütlesi ile hızının çarpımıdır:

p⃗=mv⃗[p]=kg⋅m/s\vec p = m\vec v \qquad [p] = \text{kg}\cdot\text{m/s}

Newton aslında ikinci yasayı momentumla yazmıştı:

∑F⃗=dp⃗dt\sum\vec F = \frac{d\vec p}{dt}

Kütle sabitse bu ma⃗m\vec a‘ya eşittir. Ama momentum biçimi daha geneldir, roket gibi kütlesi değişen sistemlerde de geçerlidir.

Momentumun korunumu

İki cisim çarpıştığında 1’in 2’ye uyguladığı kuvvet, 2’nin 1’e uyguladığına eşit ve zıttır (Newton 3). O yüzden momentum değişimleri de eşit ve zıttır, toplamları sıfırdır. Dış kuvvetin olmadığı (ya da ihmal edildiği) sisteme izole sistem (isolated system) denir:

p⃗1i+p⃗2i=p⃗1f+p⃗2f\vec p_{1i} + \vec p_{2i} = \vec p_{1f} + \vec p_{2f}

İPUCU · çarpışmada yerçekimi neden ihmal ediliyor? Çarpışma kuvvetleri ağırlıktan yüzlerce kat büyük ve çarpışma çok kısa sürer. Ağırlığın o kısa sürede yaptığı impuls ihmal edilebilecek kadar küçüktür.

İmpuls

Bir kuvvetin bir süre boyunca etkisine impuls (impulse) denir. İmpuls-momentum teoremi (impulse-momentum theorem):

J⃗=∫F⃗ dt=Δp⃗=mv⃗f−mv⃗i\vec J = \int \vec F\,dt = \Delta\vec p = m\vec v_f - m\vec v_i

J⃗=F⃗avg Δt[J]=N⋅s=kg⋅m/s\vec J = \vec F_{avg}\,\Delta t \qquad [J] = \text{N·s} = \text{kg·m/s}

İmpuls, F-t grafiğinin altındaki alandır. Aynı momentum değişimini uzun sürede yaparsan kuvvet küçük olur. Hava yastığı, dizini bükerek yere inmek ve kask hep bu fikre dayanır.

Çözümlü örnek 1. 0.160 kg’lık top raketle karşılanıyor: 20.0 m/s ile geliyor, ters yönde 25.0 m/s ile gidiyor. Temas 4.00 ms. İmpuls ve ortalama kuvvet?

Topun gidiş yönü +:  v_i = -20.0 m/s,  v_f = +25.0 m/s
J = m (v_f - v_i) = 0.160 · (25.0 - (-20.0)) = 0.160 · 45.0 = 7.20 N·s
F_avg = J / Δt = 7.20 / 0.00400 = 1.80 × 10³ N

TUZAK · geri sekmede hızlar toplanır. Yön değiştiren cismin hız değişimi 25−20=525 - 20 = 5 değil, 25−(−20)=4525 - (-20) = 45 m/s. İşaretsiz yazan impulsu 9 kat küçük bulur.

Çarpışma türleri

TürMomentumKinetik enerjiÖrnek
Esnek (elastic)korunurkorunurbilardo topları, atom çarpışmaları (yaklaşık)
Esnek olmayan (inelastic)korunurazalıraraba çarpışması, top yere zıplıyor
Tam esnek olmayan (perfectly inelastic)korunuren çok azalırcisimler yapışıyor

Kayıp kinetik enerji ısıya, sese ve şekil değiştirmeye gider. Toplam enerji yine korunur, sadece mekanik enerji korunmaz.

Tam esnek olmayan çarpışma

Cisimler yapışıp birlikte hareket eder:

m1v1i+m2v2i=(m1+m2)vfm_1v_{1i} + m_2v_{2i} = (m_1 + m_2)v_f

Çözümlü örnek 2 (balistik sarkaç). 10.0 g’lık mermi 400 m/s ile asılı 2.00 kg tahta bloğa saplanıyor. Blok ne kadar yükselir?

Çarpışma (momentum):  0.0100 · 400 = 2.01 · v   →  v = 1.99 m/s
Kinetik enerji: önce 800 J, sonra ½ · 2.01 · 1.99² = 3.98 J (çoğu ısı oldu)
Yükselme (enerji, çarpışmadan SONRA):  v² = 2 g h  →  h = 1.99² / 19.6 = 0.202 m

İki aşamayı ayır. Çarpışma anında enerji korunmaz, sadece momentum. Sonraki salınımda mekanik enerji korunur.

Bir boyutta esnek çarpışma

Momentum ve kinetik enerji birlikte korunur. m2m_2 duruyorsa:

v1f=m1−m2m1+m2 v1iv2f=2m1m1+m2 v1iv_{1f} = \frac{m_1 - m_2}{m_1 + m_2}\,v_{1i} \qquad v_{2f} = \frac{2m_1}{m_1 + m_2}\,v_{1i}

Genel durumda kareli enerji denklemi yerine şu doğrusal ilişkiyi kullan: v1i−v2i=−(v1f−v2f)v_{1i} - v_{2i} = -(v_{1f} - v_{2f}). Yaklaşma hızı, ayrılma hızına eşittir.

Çözümlü örnek 3. 2.00 kg’lık top 5.00 m/s ile duran 3.00 kg’lık topa esnek çarpıyor.

v1f = (2 - 3)/(2 + 3) · 5.00 = -1.00 m/s   (hafif olan geri sekti)
v2f = 2·2/(2 + 3) · 5.00 = +4.00 m/s
Kontrol, K: ½·2·1² + ½·3·4² = 1 + 24 = 25 J = ½·2·5²  ✓

Özel durumlar: eşit kütlelerde hızlar değiş tokuş edilir. Çok ağır hedefe (m2≫m1m_2 \gg m_1) çarpan geri aynı süratle seker. Çok hafif hedefe çarpan ağır cisim neredeyse yavaşlamaz, hafif olan 2v2v ile fırlar.

İki boyutta çarpışma

Momentum bir vektör olduğu için x ve y bileşenleri ayrı ayrı korunur:

∑px,i=∑px,f∑py,i=∑py,f\sum p_{x,i} = \sum p_{x,f} \qquad \sum p_{y,i} = \sum p_{y,f}

Çözümlü örnek 4. 0.300 kg’lık disk +x+x yönünde 4.00 m/s ile gidiyor ve duran özdeş bir diske sıyırarak çarpıyor (glancing collision). İlk disk +x+x‘ten 37.0∘37.0^\circ yukarı 3.20 m/s ile ayrılıyor. İkinci diskin hızı?

x:  0.300·4.00 = 0.300·3.20·cos37 + 0.300·v2x  →  v2x = 4.00 - 2.556 = 1.44 m/s
y:  0 = 0.300·3.20·sin37 + 0.300·v2y           →  v2y = -1.93 m/s
v2 = √(1.44² + 1.93²) = 2.41 m/s,  açı = atan(-1.93/1.44) = -53.1° (x'in altında)

İki diskin yönleri arası açı 37.0+53.1=90∘37.0 + 53.1 = 90^\circ. Eşit kütleler esnek sıyırma çarpışmasında hep dik açıyla ayrılır.

TUZAK · açıyı hızlardan bulmak. Yapışan iki araba için yön tan⁡−1(py/px)\tan^{-1}(p_y/p_x)‘tir. Kütleler farklıysa tan⁡−1(vy/vx)\tan^{-1}(v_y/v_x) yanlış açı verir.

Çarpışma esnek mi? Test et

Sınavda bazen çarpışmadan önceki ve sonraki hızlar verilir ve “esnek mi” diye sorulur. Önce momentumu kontrol et (her zaman korunmalı), sonra kinetik enerjiyi karşılaştır.

Çözümlü örnek 5. 0.500 kg’lık top 4.00 m/s ile duran 1.00 kg’lık topa çarpıyor. Sonra hafif top −1.00-1.00 m/s, ağır top +2.50+2.50 m/s ile gidiyor.

Momentum önce:  0.500 · 4.00               = 2.00 kg·m/s
Momentum sonra: 0.500·(-1.00) + 1.00·2.50  = 2.00 kg·m/s   ✓ korundu
K önce:  ½ · 0.500 · 4.00²                 = 4.00 J
K sonra: ½·0.500·1.00² + ½·1.00·2.50²      = 0.250 + 3.125 = 3.375 J
Kayıp: 0.625 J  →  esnek olmayan çarpışma

Momentum korunmuyorsa hızlar fiziksel olarak imkânsızdır ya da dış bir kuvvet vardır. Kinetik enerji artmışsa da bir hata vardır (patlama hariç, orada iç enerji kinetiğe döner).

Hangi denklemi kullanacağım?

SoruKullan
Ortalama kuvvet, temas süresiFavgΔt=mΔvF_{avg}\Delta t = m\Delta v
F-t grafiği verildiAlan = impuls
Cisimler yapıştıSadece momentum; KK kaybını sonra hesapla
“Elastic” yazıyor, 1DMomentum + v1i−v2i=−(v1f−v2f)v_{1i} - v_{2i} = -(v_{1f} - v_{2f}) ya da hazır formüller
Kavşak, sıyırma, açılar varx ve y momentumu ayrı
Çarpışmadan sonra yükselme / kaymaMomentum (çarpışma) + enerji (sonrası)

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
Momentum skaler, işaret önemsizVektör: zıt yönlerden biri eksi
Geri sekmede Δv=vf−vi\Delta v = v_f - v_i işaretsizvf−(−vi)=vf+viv_f - (-v_i) = v_f + v_i
Her çarpışmada kinetik enerji korunurSadece esnek çarpışmada
Yapışan cisimlerde enerjiyle hız bulmakSadece momentum kullan
Balistik sarkaçta tek enerji denklemiÖnce momentum (çarpışma), sonra enerji (salınım)
Yapışınca sadece hedefin kütlesine bölmekm1+m2m_1 + m_2‘ye böl
2D’de momentum büyüklüklerini toplamakx ve y ayrı; sonra Pisagor
Çıkış açısı = hızların açısıMomentum bileşenlerinin açısı
İmpuls = tepe kuvvet × süreF-t grafiğinin alanı
ms’yi saniyeye çevirmemek4.00 ms = 0.00400 s

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

What is the magnitude of the momentum of a 0.145 kg baseball moving at 40.0 m/s?

  1. 116 kg·m/s
  2. 11.6 kg·m/s
  3. 5.80 kg·m/s
  4. 276 kg·m/s
  5. 3.63 × 10⁻³ kg·m/s
Cevabı göster
C) 5.80 kg·m/s

p=mv=(0.145)(40.0)=5.80 kg⋅m/sp = mv = (0.145)(40.0) = 5.80\ \text{kg·m/s}. A: kinetik enerjinin sayısı (12mv2=116\tfrac12 mv^2 = 116 J). B: fazladan 2. D: v/mv/m. E: m/vm/v.

Soru 2orta

A 0.400 kg ball hits a wall moving at 15.0 m/s and rebounds straight back at 12.0 m/s. What is the magnitude of the impulse exerted on the ball by the wall?

  1. 10.8 N·s
  2. 1.20 N·s
  3. 6.00 N·s
  4. 4.80 N·s
  5. 0 N·s
Cevabı göster
A) 10.8 N·s

Duvara doğru yönü ++ al: vi=+15.0v_i = +15.0, vf=−12.0v_f = -12.0 m/s. J=m(vf−vi)=0.400(−12.0−15.0)=−10.8 N⋅sJ = m(v_f - v_i) = 0.400(-12.0 - 15.0) = -10.8\ \text{N·s}, büyüklüğü 10.8. B: geri dönüşün eksisi unutulmuş (15−1215 - 12). C: sadece gelen momentum. D: sadece giden momentum. E: süratler benzer diye değişim yok sanmak.

Soru 3kolay

For the ball in the previous question, the contact with the wall lasts 0.0150 s. What is the magnitude of the average force (in N) the wall exerts on the ball?

Cevabı göster
720 N

Favg=∣J∣Δt=10.80.0150=720 NF_{avg} = \dfrac{|J|}{\Delta t} = \dfrac{10.8}{0.0150} = 720\ \text{N}. Topun ağırlığı yaklaşık 3.9 N; çarpışma kuvveti onun 180 katı. Bu yüzden çarpışma süresince ağırlık ihmal edilir.

Soru 4kolay

A 1500 kg car moving at 20.0 m/s rear-ends a stationary 2500 kg truck. The two lock together. What is their speed just after the collision?

  1. 12.0 m/s
  2. 12.2 m/s
  3. 10.0 m/s
  4. 7.50 m/s
  5. 20.0 m/s
Cevabı göster
D) 7.50 m/s

Tam esnek olmayan: m1v1=(m1+m2)vf⇒vf=(1500)(20.0)4000=7.50 m/sm_1v_1 = (m_1 + m_2)v_f \Rightarrow v_f = \dfrac{(1500)(20.0)}{4000} = 7.50\ \text{m/s}. A: sadece kamyonun kütlesine bölünmüş. B: kinetik enerji korunur sanılmış (bu çarpışmada korunmaz). C: hızların ortalaması. E: hız değişmez sanmak.

Soru 5orta

A 2.00 kg cart moving at +6.00 m/s collides head-on with a 3.00 kg cart moving at −4.00 m/s. They stick together. What is their velocity after the collision?

  1. +4.80 m/s
  2. 0 m/s
  3. +2.40 m/s
  4. +1.00 m/s
  5. −4.80 m/s
Cevabı göster
B) 0 m/s

p=(2.00)(6.00)+(3.00)(−4.00)=12.0−12.0=0p = (2.00)(6.00) + (3.00)(-4.00) = 12.0 - 12.0 = 0. vf=0/5.00=0v_f = 0/5.00 = 0. A: ikinci arabanın eksi işareti atılmış (24/524/5). C: sadece bir arabanın momentumu (12/512/5). D: (6−4)/2(6 - 4)/2, kütleler yok sayılmış. E: +4.80 m/s'nin işareti ters çevrilmiş hâli.

Soru 6orta

In the car-truck collision above (1500 kg at 20.0 m/s into a stationary 2500 kg truck, stuck together), what fraction of the initial kinetic energy is lost?

  1. 37.5 %
  2. 0 %
  3. 50.0 %
  4. 100 %
  5. 62.5 %
Cevabı göster
E) 62.5 %

Ki=12(1500)(20.0)2=3.00×105K_i = \tfrac12(1500)(20.0)^2 = 3.00\times10^5 J, Kf=12(4000)(7.50)2=1.125×105K_f = \tfrac12(4000)(7.50)^2 = 1.125\times10^5 J. Kalan oran 0.3750.375, kayıp 0.625=62.5%0.625 = 62.5\%. Kısa yol: duran hedefle tam esnek olmayan çarpışmada kalan oran m1/(m1+m2)m_1/(m_1 + m_2). A: kalan oran, kayıp değil. B: enerji korunur sanmak. D: hepsi kaybolmaz, birlikte hareket ediyorlar.

Soru 7kolay

A ball moving at speed v collides head-on and elastically with an identical ball at rest. After the collision:

  1. both move at v/2 in the same direction
  2. the first ball stops and the second moves at v
  3. the first rebounds at v and the second stays at rest
  4. both move at v/2 in opposite directions
  5. both stop
Cevabı göster
B) the first ball stops and the second moves at v

Eşit kütlelerde 1D esnek çarpışmada hızlar değiş tokuş edilir: v1f=m1−m2m1+m2v=0v_{1f} = \dfrac{m_1 - m_2}{m_1 + m_2}v = 0, v2f=2m1m1+m2v=vv_{2f} = \dfrac{2m_1}{m_1 + m_2}v = v. "İkisi de v/2" tam esnek olmayan çarpışmanın sonucudur; o durumda kinetik enerjinin yarısı kaybolur.

Soru 8orta

A 0.200 kg glider moving at +3.00 m/s on an air track collides elastically with a 0.600 kg glider at rest. What is the velocity of the 0.200 kg glider after the collision?

  1. +1.50 m/s
  2. 0 m/s
  3. +0.750 m/s
  4. −1.50 m/s
  5. −3.00 m/s
Cevabı göster
D) −1.50 m/s

v1f=m1−m2m1+m2v1i=−0.4000.800(3.00)=−1.50 m/sv_{1f} = \dfrac{m_1 - m_2}{m_1 + m_2}v_{1i} = \dfrac{-0.400}{0.800}(3.00) = -1.50\ \text{m/s}: hafif olan geri seker. Ağır olan v2f=2(0.200)0.800(3.00)=+1.50v_{2f} = \dfrac{2(0.200)}{0.800}(3.00) = +1.50 m/s. A: işaret kaybolmuş. B: eşit kütle kuralını yanlış yere uygulamak. C: yapışmış gibi hesap (tam esnek olmayan). E: duvara çarpmış gibi.

Soru 9zor

A 1200 kg car traveling east at 18.0 m/s collides at an intersection with a 1600 kg car traveling north at 12.0 m/s. The cars stick together. What is their speed just after the collision?

  1. 14.6 m/s
  2. 21.6 m/s
  3. 10.3 m/s
  4. 10.8 m/s
  5. 30.0 m/s
Cevabı göster
C) 10.3 m/s

px=(1200)(18.0)=21 600p_x = (1200)(18.0) = 21\,600, py=(1600)(12.0)=19 200p_y = (1600)(12.0) = 19\,200 kg·m/s. v=px2+py22800=28 9002800=10.3 m/sv = \dfrac{\sqrt{p_x^2 + p_y^2}}{2800} = \dfrac{28\,900}{2800} = 10.3\ \text{m/s}. A: momentumlar vektör yerine sayı olarak toplanmış. B: kütleler yok sayılıp hızlar Pisagorla birleştirilmiş. D: hızların vektörel ortalaması, kütleler eşitmiş gibi. E: hızlar toplanmış.

Soru 10orta

For the intersection collision above, in what direction does the wreckage move? Give the angle north of east (in degrees).

Cevabı göster
41.6° north of east

tan⁡θ=pypx=19 20021 600=0.889⇒θ=41.6∘\tan\theta = \dfrac{p_y}{p_x} = \dfrac{19\,200}{21\,600} = 0.889 \Rightarrow \theta = 41.6^\circ. Açıyı hızlarla (tan⁡−1(12/18)=33.7∘\tan^{-1}(12/18) = 33.7^\circ) bulursan kütle farkını unutmuş olursun; açıyı momentum bileşenleri belirler.

Soru 11zor

A 0.0500 kg golf ball is at rest. The club exerts a force that rises linearly from 0 to 800 N in 4.00 ms, then falls linearly back to 0 at 8.00 ms. What is the ball's speed (in m/s) as it leaves the club?

Cevabı göster
64.0 m/s

İmpuls = F-t grafiği altındaki alan: üçgen, J=12(800)(0.00800)=3.20 N⋅sJ = \tfrac12(800)(0.00800) = 3.20\ \text{N·s}. v=J/m=3.20/0.0500=64.0 m/sv = J/m = 3.20/0.0500 = 64.0\ \text{m/s}. Alanı dikdörtgen sanan (tepe kuvvet × süre) 128 m/s bulur. ms'yi saniyeye çevirmeyi unutma.

Doğrulama: Tüm sayısal cevaplar ve çeldiriciler node ile hesaplandı (verify/PHY1001/14.mjs); F-t grafiği altındaki alan sayısal integral ile kontrol edildi.

Deftere not kartı

Momentum: p = m v (vektör, kg·m/s) F_net = dp/dt İzole sistem (dış kuvvet yok): p_toplam,i = p_toplam,f (her bileşen ayrı!) İmpuls: J = Δp = m vf - m vi = F_avg Δt = F-t grafiği alanı (N·s) Geri sekme: Δp = m (v + v') (işaret: zıt yönler toplanır) ESNEK: p korunur VE K korunur ESNEK OLMAYAN: p korunur, K azalır TAM ESNEK OLMAYAN (yapışır): m1 v1 + m2 v2 = (m1 + m2) vf 1D esnek, m2 duruyor: v1f = (m1-m2)/(m1+m2) v1 v2f = 2m1/(m1+m2) v1 Eşit kütle esnek: hızlar değişir Hafif → ağıra: hafif geri seker 1D esnek kısa yol: v1i - v2i = -(v1f - v2f) 2D: x ve y ayrı korunur; açı = atan(py/px) hızlarla değil! Duran hedefe yapışma: K kalan oranı = m1/(m1+m2)