Ráz těles
Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Rázem (srážkou) těles (částic) se označuje výsledek vzájemného působení dvou, popř. více, těles (částic).
Při studiu srážek těles obvykle uvažujeme, že při srážce dochází ke kontaktu povrchů obou těles, tzn. neuvažujeme silová pole působící mezi tělesy na dálku. U mikroskopických částic nelze působení prostřednictvím silových polí zanedbat.
Obsah |
[editovat] Vstupní a výstupní kanál
Při studiu srážky obvykle vycházíme ze stavu, kdy částice vstupující do srážky jsou dostatečně vzdáleny, takže je možné zanedbat jejich vzájemnou interakci. V počátečním stavu jsou tedy částice obvykle považovány za volné. Počáteční stav bývá označován jako vstupní kanál.
Během svého pohybu vstoupí částice do oblasti silového působení, kdy dojde k samotnému procesu srážky. Výsledek srážky nemusí být jednoznačně určen počátečním stavem, tzn. určitý počáteční stav může vést k odlišným výsledkům. Tyto různé výsledky se označují jako výstupní kanály nebo kanály reakce. Jednotlivé koncové stavy opět odpovídají částicím, které jsou volné, tzn. nepůsobí mezi nimi žádné interakce. Srážky se klasifikují podle výstupního kanálu.
Počáteční stav je většinou kladen do času 
. Stav koncový odpovídá času 
.
[editovat] Klasifikace srážek
Jestliže při srážce částic nedochází ke změně vnitřního stavu částice ani ke vzniku nebo zániku částic, pak se jedná o tzv. pružnou (elastickou) srážku (rozptyl). Příkladem pružné srážky může být změna trajektorií dvou vzájemně interagujících atomů, aniž by došlo ke změně jejich vnitřních stavů.
Při srážce částic může dojít ke změně jejich vnitřního stavu, přičemž nedochází ke vzniku nebo zániku nových částic. Hovoříme pak o nepružném (neelastickém) rozptylu (srážce). Příkladem nepružné srážky může být např. vznik dvouatomové molekuly při vzájemné interakci dvou atomů, popř. spojení dvou těles při jejich srážce.
Pokud během srážky dochází ke vzniku nebo zániku částic (obecně ke změně počtu částic), pak takové srážky označujeme jako reakce. Příkladem reakce je srážka neutronu s jádrem uranu, při které se jádro uranu dělí na několik lehčích fragmentů. Při srážkách těles je příkladem reakce rozbití jednoho z těles na řadu úlomků.
Zvláštním případem reakcí jsou tzv. samovolné (spontánní) rozpady, kdy dochází k rozpadu částice (tělesa) bez vnější příčiny. Při rozpadu částice nemusí docházet pouze k rozdělení původní částice, ale k zániku původní částice a vzniku částic nových, tzn. jedná se o vzájemnou přeměnu částic, které se celého procesu účastní. Jako makroskopický příklad rozpadu lze uvést explozi časované bomby. Z oblasti mikročástic lze uvést např. radioaktivní rozpad.
[editovat] Nárazové síly
Při srážce dvou pevných těles vznikají na styčné ploše síly, které mají na tělesa deformační i pohybové účinky. Nazývají se nárazové (impulsní) síly. Jejich působením dochází ve velmi krátkých časových intervalech k deformaci těles a současně se mění rychlosti těles co do směru i velikosti. To však neznamená, že by složky rychlost byly v průběhu nárazového děje nespojité. Tyto změny zůstávají nadále spojité, přestože probíhají příliš rychle, a vnějšímu pozorovateli se mohou jako nespojité jevit.
Velikost nárazových sil je závislá na délce trvání nárazu, tedy i na deformačních vlastnostech těles, ale také na vzájemné rychlosti těles. Vzhledem k tomu, že se obvykle jedná o děje probíhající během velmi krátkých časových intervalů, mohou nárazové síly dosáhnou značných hodnot. Proto můžeme během nárazového děje obvykle zanedbat vliv ostatních sil (např. gravitace) na tělesa.
Obecně se při nárazu může každé z těles pohybovat i otáčet současně. K řešení nárazu těles se používají impulzové věty.
I. impulsovou větu lze pro nárazové síly formulovat tak, že změna hybnosti tělesa (popř. jeho těžiště) je při nárazu rovna celkovému impulsu, tzn.
,
kde 
označuje impuls síly.
II. impulsová věta pak říká, že změna momentu hybnosti 
tuhého tělesa při nárazu je rovna impulsu momentu nárazu, tzn.
,
kde 
je impuls momentu síly.
Z obou impulsových vět plyne, že změna pohybového stavu těles, která je způsobená silami jinými než nárazovými, je během nárazu zanedbatelná vzhledem k nárazovým silám. Nárazové síly mezi srážejícími se tělesy však splňují zákon akce a reakce. Tyto síly lze považovat za vnitřní síly v soustavě tvořené srážejícími se tělesy. Pro celkovou změnu hybnosti i momentu hybnosti tak platí obě impulsové věty. Pro nárazové síly je můžeme přeformulovat do následujícího tvaru.
- Celková hybnost těles po nárazu je rovna jejich celkové hybnosti před nárazem.
- Celkový moment hybnosti těles po nárazu je roven jejich celkovému momentu hybnosti před nárazem.
[editovat] Řešení průběhu rázu
Při řešení problému rázu obvykle na základě známého rozložení těles, jejich rychlostí, jejich mechanických vlastností a pohybových stavů před rázem, hledáme rychlosti, deformace, nárazové síly a momenty během rázu i po něm. Vychází se přitom ze zákonů zachování (energie, hybnosti, momentu hybnosti). Při studiu částic je nutné také uvažovat další zákony zachování (elektrický náboj, baryonové číslo atd.), které omezují možné typy a průběh procesů.
Průběh rázu těles je závislý na
- rozložení hmotnosti těles - Na výsledek rázového děje má vliv nejen poloha těles před nárazem, ale také rozložení hmotnosti uvnitř těles.
- vzájemný pohyb těles před rázem - Tělesa se mohou vzájemně pohybovat po jedné přímce, v jedné rovině nebo libovolně v prostoru. Také záleží na tom, jakým způsobem se tělesa setkají. Může jít o pouhý dotyk (tzv. výstředný nebo excentrický ráz), ale také o středový (centrický) ráz. Středový ráz je takový ráz, při kterém je tvar a počáteční poloha těles taková, že obě těžiště leží na společné normále k tečně v bodě rázu. Tak je tomu vždy např. při rázu dvou koulí. Přímý ráz je takový ráz, při kterém vektory relativních rychlostí, kterými se k sobě tělesa před nárazem blíží, leží na společné ose. Pokud na stejné ose neleží, jedná se o ráz šikmý.
- vlastnostech materiálu (pružnosti) těles - Vlastnosti materiálu těles ovlivňují vznik deformací. Deformační síly vznikají při každém nárazu a snaží se vyrovnávat rozdíl rychlostí narážejících těles v bodě rázu. Tyto síly dosahují maxima v okamžiku, když jsou rychlosti vyrovnány. V tomto okamžiku jsou také deformace maximální. Po nárazu deformační síly vymizí a v závislosti na pružnosti materiálu dojde k návratu do původního tvaru, nebo těleso zůstane deformováno. Krajními případy jsou nepružný (neelastický) ráz, při které jsou všechny deformace vzniklé při rázu trvalé (plastické), a dokonale pružný (elastický) ráz, při kterém se těleso vrací do původního tvaru a všechny deformace vymizí. Srážky reálných těles jsou nedokonale pružné (polopružné).
- vlastnostech povrchů těles - Vliv povrchu se projevuje především při šikmém rázu. Tehdy vzniká smyková síla (a tedy i deformace), jejíž velikost je závislá na drsnosti povrchu. U dokonale hladkých těles při šikmém rázu tečné deformace nevznikají. Drsnost povrchu způsobuje také posun povrchových vrstev v okolí bodu nárazu. Tyto deformace mají během nárazu podobný průběh jako stlačení. To má za následek, že drsná tělesa na sebe působí také tečným nárazem. Vlastnost povrchů těles ovlivňuje vznik silových momentů při nárazu.
