Füüsika võib paljudele tunduda keerulise ja hirmutava ainena, täis arusaamatuid valemeid ja abstraktseid mõisteid. Ometi puutume me füüsikaseadustega kokku igal sammul, alates hommikul voodist tõusmisest kuni autoga tööle sõitmiseni. Üks kõige fundamentaalsemaid ja igapäevaelus sagedamini esinevaid nähtusi on seotud sellega, kui raske on mingit objekti liikuma panna või seda peatada. Kujutage ette olukorda, kus teie poole veereb aeglaselt jalgpall. Selle peatamine jalaga on imelihtne. Nüüd kujutage ette, et sama kiirusega veereb teie poole veoauto. Ilmselgelt te ei üritaks seda jalaga peatada. Kuigi mõlema objekti kiirus on sama, on nende mõju ja peatamiseks vajalik jõud täiesti erinevad. See intuitiivne arusaam massi ja kiiruse koosmõjust viib meid otse ühe füüsika alustala – liikumishulga ehk impulsi – juurde.
Mis on liikumishulk ja kuidas seda defineeritakse?
Füüsikas on terminid äärmiselt täpsed. Kuigi igapäevakeeles võime kasutada sõnu “jõud”, “energia” ja “võimsus” vaheldumisi, siis teaduses on neil kõigil kindel tähendus. Liikumishulk (tähistatakse tähega p) on füüsikaline suurus, mis iseloomustab keha liikumist massi ja kiiruse kaudu. Lihtsustatult öeldes on see keha “liikumise massiivsus”.
Liikumishulga valem on üks lihtsamaid füüsikas:
p = m × v
- p – liikumishulk (mõõtühik kilogramm-meeter sekundi kohta, kg·m/s)
- m – keha mass (kilogrammides, kg)
- v – keha kiirus (meetrit sekundis, m/s)
Sellest valemist järeldub kaks olulist tõde. Esiteks, mida raskem on objekt, seda suurem on tema liikumishulk sama kiiruse juures. Teiseks, mida kiiremini objekt liigub, seda suurem on tema liikumishulk. See seletabki, miks on kerget kuuli, mis lendab tohutu kiirusega, sama raske või isegi raskem peatada kui aeglaselt liikuvat rasket objekti. Mõlemal juhul on korrutis m × v suur.
Vektoriaalsus: miks suund on oluline?
Üks kriitiline aspekt, mida koolifüüsikas sageli unustatakse rõhutada, on see, et liikumishulk on vektoriaalne suurus. See tähendab, et sellel ei ole mitte ainult suurus (number), vaid ka suund. See eristab liikumishulka näiteks kineetilisest energiast, mis on skalaarne suurus (omab vaid suurust).
Miks see oluline on? Kujutage ette kahte autot. Üks sõidab kiirusega 50 km/h põhja suunas ja teine 50 km/h lõuna suunas. Nende liikumishulgad on suuruselt võrdsed, kuid suunalt vastupidised. Kui need autod peaksid omavahel kokku põrkama (laupkokkupõrge), on tulemus hoopis teistsugune kui siis, kui nad sõidaksid kõrvuti samas suunas ja riivaksid teineteist. Liikumishulga suund määrab ära, mis juhtub kokkupõrkel ja kuhu objektid pärast seda liiguvad.
Jõuimpuls ja seos Newtoni seadustega
Sageli kasutatakse sõna “impulss” liikumishulga sünonüümina, kuid täpsemas füüsikakeeles räägitakse jõuimpulsist. Need kaks mõistet on omavahel tihedalt seotud. Kui liikumishulk kirjeldab keha olekut, siis jõuimpuls kirjeldab seda, kuidas jõud muudab keha liikumishulka teatud aja jooksul.
Isaac Newtoni teine seadus (F = m × a) on tegelikult algselt sõnastatud just liikumishulga kaudu. See ütleb, et jõud on võrdne liikumishulga muutumise kiirusega. Matemaatiliselt võib seda väljendada nii: liikumishulga muut (Δp) on võrdne mõjuva jõu (F) ja selle mõjumise aja (Δt) korrutisega.
Δp = F × Δt
See lihtne võrrand on aluseks paljudele turvasüsteemidele ja sporditehnikatele. Kui soovite palli kaugele lüüa (suurendada selle liikumishulka), peate rakendama suurt jõudu võimalikult pika aja jooksul (nn läbilöök tennises või golfis). Teisalt, kui soovite peatada rasket objekti ilma seda purustamata, peate pikendama peatamiseks kuluvat aega, et vähendada mõjuvat jõudu.
Liikumishulga jäävuse seadus: looduse raudne reegel
Üks füüsika alustalasid on liikumishulga jäävuse seadus. See seadus väidab, et suletud süsteemis (kus välised jõud puuduvad või kompenseerivad üksteist) on süsteemi kogu liikumishulk konstantne. See tähendab, et liikumishulk ei teki ega kao, vaid kandub ühelt kehalt teisele.
Klassikaline näide on piljardimäng. Kui valge kuul tabab seisvat värvilist kuuli otse keskele, siis valge kuul jääb seisma (annab oma liikumishulga ära) ja värviline kuul hakkab liikuma sama kiirusega (võtab liikumishulga vastu). Kogu süsteemi liikumishulk enne ja pärast lööki on sama.
Seda seadust kasutavad politseiuurijad liiklusõnnetuste analüüsimisel. Mõõtes pidurdusjälgi ja autode asukohta pärast avariid ning teades autode massi, saavad nad “tagasi kerida” ja arvutada täpselt, kui kiiresti autod enne kokkupõrget liikusid. Liikumishulga jäävus ei valeta kunagi.
Korduma kippuvad küsimused (KKK)
Kas liikumishulk ja kineetiline energia on sama asi?
Ei, need on erinevad suurused, kuigi mõlemad sõltuvad massist ja kiirusest. Liikumishulk (mv) on vektor ja on seotud ajaga, mis kulub keha peatamiseks. Kineetiline energia (½mv²) on skalaar ja on seotud tööga, mis on vajalik keha peatamiseks. Näiteks kui kiirus kahekordistub, siis liikumishulk kahekordistub, kuid kineetiline energia neljakordistub.
Miks püssi laskmisel tekib tagasilöök?
See tuleneb otseselt liikumishulga jäävuse seadusest. Enne lasku on püssi ja kuuli summaarne liikumishulk null. Kui kuul lendab välja suure kiirusega ühes suunas (omades positiivset liikumishulka), peab püss liikuma vastassuunas (omama negatiivset liikumishulka), et summa jääks nulliks. Kuna püss on palju raskem kui kuul, on tagasilöögi kiirus tunduvalt väiksem kui kuuli lennukiirus, kuid siiski tuntav.
Kas paigal seisval autol on liikumishulk?
Ei. Kuna liikumishulga valem on mass korda kiirus (p = m × v), siis kui kiirus on null, on ka liikumishulk null, olenemata sellest, kui raske auto on.
Kuidas aitavad turvapadjad vähendada vigastusi liikumishulga kontekstis?
Avarii korral peab reisija liikumishulk vähenema nullini. Turvapadi ei muuda liikumishulga muutu (see on ikka sama, reisija peab seisma jääma), kuid see pikendab aega (Δt), mille jooksul see muutus toimub. Valemist F = Δp / Δt näeme, et kui aega suurendada, siis jõud (F), mis inimesele mõjub, väheneb. Väiksem jõud tähendab vähem vigastusi.
Raketiteadus ja reaktiivliikumine
Üks põnevamaid valdkondi, kus liikumishulga mõistmine on hädavajalik, on kosmosetehnoloogia ja raketiteadus. Paljud inimesed arvavad ekslikult, et rakett liigub kosmoses edasi, sest ta “tõukab” end ära atmosfääriõhust. See ei ole tõsi – kosmoses pole õhku, millest end ära tõugata. Rakettide töö põhineb puhtalt reaktiivliikumisel, mis on liikumishulga jäävuse seaduse otsene rakendus.
Rakett töötab, paisates endast välja kütuse põlemisjääke (gaase) tohutu suurel kiirusel. Süsteemi (rakett + kütus) algne liikumishulk on null (või konstantne). Et säilitada tasakaalu, peab gaaside väljapaiskamisel ühes suunas tekkima vastassuunaline liikumishulk, mis lükkab raketti edasi. Mida suurem on väljuvate gaaside mass ja mida suurem on nende kiirus, seda suurema impulsi saab rakett.
See printsiip selgitab ka, miks kosmoselennud on nii keerulised ja kallid. Et saada suurt kiirust, peab raketil olema kaasas tohutu kogus kütust. Kuid kütus ise omab massi, mida on vaja samuti kiirendada. See tekitab nõiaringi, mida tuntakse Tsiolkovski raketivõrrandina: suurema kiiruse saavutamiseks on vaja rohkem kütust, aga rohkem kütust muudab raketi raskemaks, mis omakorda nõuab veel rohkem kütust. Insenerid peavad tegema ülitäpseid arvutusi, et optimeerida massi ja kütuse suhet, ning kogu see matemaatika toetub lihtsale põhitõele liikumishulga jäävusest.
