Почему линейный импульс не сохраняется при столкновении шарнирного стержня с шаром?

Я работаю над старой физической задачей AP, прежде чем показать ее своему классу. В задаче фигурирует шарнирный стержень длиной Д , масса М 1 . Он имеет угловую скорость ю непосредственно перед ударом по мячу (масса М 2 ) в самом нижнем положении. Как на этой картинке:

введите описание изображения здесь

Стержень полностью останавливается после удара.

Чтобы определить скорость мяча, вы можете использовать закон сохранения углового момента:

я ю "=" м в Д
Однако, разделив на Д , у вас есть единицы линейного импульса. Дальнейшее расширение дает
я ю Д "=" [ р 2   г м ] ю Д "=" [ 0 Д р 2 М 1 Д г р ] ю Д "=" ю М 1 Д 2 0 Д р 2   г р "=" ю М 1 Д 2 × 1 3 Д 3 "=" 1 3 М 1 ю Д "=" 1 3 М 1 в загар "=" 2 3 М 1 в см
И наконец:
2 3 М 1 в см "=" М 2 в ф

Значит, это говорит о том, что 2/3 линейного импульса стержня переходит в линейный импульс мяча? Я понимаю, что угловой момент сохраняется просто отлично, но мне бы очень хотелось получить некоторое представление о том, что последнее уравнение может означать физически. Многие из моих студентов хотят использовать закон сохранения импульса вместо углового, поэтому я хочу объяснить им, почему они не могут (или могут?).

Спасибо!

Привет, Кристофер! Мы пришли на Physics.SE. Многим пользователям не нравится выходить за пределы сайта для просмотра изображений, я бы порекомендовал вам включить их в свой пост. Кроме того, вот простое руководство по mathjax для вашего последнего изображения. math.meta.stackexchange.com/questions/5020/… . Я бы также включил тег домашнего задания, так как он охватывает домашние задания, такие как вопросы, и именно поэтому этот вопрос будет рассматриваться так, как если бы вы на самом деле были учеником, но не все ли мы, на самом деле :)
Спасибо @Countto10, хороший совет; Я справился с этим в своем редактировании, так как решил, что этот пост можно немного исправить.
Я очень ценю положительный отзыв и приведение в порядок моего вопроса. Выглядит отлично. Спасибо @DavidZ
Предположим, вы сделали это правильно, попробуйте переставить его так, чтобы 2 3 М 1 М 2 "=" в ф в с м . Это дает вам соотношение между в с м а н г v_f , а н г т час е ф а с т о р {2}{3}$ появляется из-за момента "инерции". Это работает так, как будто «эффективная масса» стержня составляет 3/2 массы точки, которая должна была воздействовать таким же образом.
Спасибо @FGSUZ, я просмотрел это несколько раз. Что вы имеете в виду из-за момента инерции? Физически, что это означает в отношении линейного импульса? Справедливо ли сказать, что линейный импульс НЕ сохраняется?
Моя первая мысль такова (Хотя сегодня я не очень в порядке, ха-ха). Точечная масса должна быть 3 2 М 1 чтобы произвести тот же эффект, и это потому, что стержень не является точечной массой, потому что много точечных масс встроены, которые несут больший импульс, чем частица, которая действительно воздействует на вторую массу. Это может быть неправильно, так что не принимайте это слишком серьезно.

Ответы (1)

Вы не можете использовать закон сохранения импульса, пока стержень зафиксирован. Это вызывает передачу импульса от стержня к точке фиксации, увеличивая нормальную силу, действующую на стержень. Пока Ф 0 , для системы стержень + шарик сохранения импульса нет, есть только сохранение углового момента относительно оси, проходящей через неподвижную точку стержня. Это связано с тем, что крутящий момент, создаваемый в стержне при возрастающей нормальной силе, равен нулю (пока расстояние до рассматриваемой оси равно нулю), поэтому обмен крутящим моментом (стержень-шар) является своего рода услугой за услугу, которая показано в ваших уравнениях.

Спасибо за ваш комментарий. В ожидании некоторых ответов я нашел некоторую информацию об идее центра перкуссии, которая связана с этим. Я полагаю, что правильный ответ, как вы сказали, заключается в том, что на шарнир действует результирующая сила, из-за которой линейный импульс не сохраняется. Однако если ударить по мячу в 2/3D, по-видимому, так оно и есть. Еще раз спасибо.