ЦЕНТР МАСС

Материал из Юнциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Представим себе два груза массами m2 и m2, соединенные легким стержнем так, что расстояние между ними равно r (рис. 1). Такие грузы уже не могут вести себя независимо — они образуют единую систему. Если приложить внешнюю силу к грузу m1, то будет ускоряться и груз m2, и наоборот. Как описывать лучше всего движение такой системы?

Оказывается, что имеется одна особая точка, которая движется так, как если бы в ней была сосредоточена вся масса системы и приложены все внешние силы (внутренние силы можно не учитывать, так как их векторная сумма по третьему закону Ньютона равна нулю). Если, например, подбросить грузики в поле тяжести, то они будут кувыркаться, но одна точка системы будет двигаться, как и положено, по параболе. Эта точка называется центром масс. Она имеется у любой, даже самой сложной, системы.

Как найти положение центра масс? Если подвесить стержень с грузами, то при определенном выборе точки подвеса стержень будет оставаться в равновесии в горизонтальном положении. Для этого должно выполняться условие m1r1 = m2r2, так чтобы моменты сил тяжести относительно точки подвеса были бы равны. С другой стороны, так как, по определению, можно считать, что в центре масс сосредоточена вся масса системы, то и равнодействующая сил тяжести должна проходить через центр масс (поэтому его также называют центром тяжести с и с т е м ы). Следовательно, в равновесии, когда нет вращения, центр масс должен совпадать с точкой подвеса. Конечно, положение центра масс не обязательно находить экспериментально. Его можно рассчитать, используя указанную выше формулу: центр масс находится на линии, соединяющей грузы на расстоянии r1 = rm2/(m1 + m2) от груза m1 или на расстоянии r2 = rm1/(m1 + m2) от груза m2. Если имеется много грузиков, то последовательно разбивая систему на пары, можно найти положение центра масс всей системы.

Итак, центр масс позволяет описать крупномасштабное движение системы под действием внешних сил, отвлекаясь от деталей внутреннего движения. В частности, если на тело не действуют внешние силы (или их векторная сумма равна нулю), то центр масс должен двигаться с постоянной скоростью. Если он вначале покоился, то его смещение будет равно нулю. Центр масс изолированной системы остается на месте. Вот почему нельзя разбежаться по очень скользкому льду, улететь на ракете, не выбрасывая назад топливо, и т. д. Это свойство отражает очень важный закон природы — закон сохранения импульса.

С другой стороны, если нас интересуют внутренние процессы в системе, то, для того чтобы отвлечься от ее движения как целого, можно перейти в систему отсчета, связанную с центром масс (система центра масс). Для изолированной системы центр масс движется с постоянной скоростью, и такая система будет инерциальной.

Известно, например, что γ-кванты могут рождать пары частиц: электрон и позитрон. Но оказывается, что этот процесс не может происходить с одним квантом. Для того чтобы в этом убедиться, воспользуемся системой центра масс. В этой системе суммарный импульс электрона и позитрона равен нулю (так как массы частиц одинаковы, то центр масс всегда находится посередине, и относительно него частицы разлетаются с одинаковыми по величине скоростями в разные стороны). В то же время импульс γ-кванта, из которого родились частицы, был отличен от нуля, так как в любой системе отсчета он движется со скоростью света. Поэтому закон сохранения импульса запрещает такой процесс. Он может идти, например, при столкновении двух γ-квантов или когда есть еще и другие частицы, которым передается лишний импульс. Аналогично при аннигиляции рождаются два γ-кванта (рис. 2). Как видно, в системе центра масс удобно исследовать процессы взаимодействия частиц, и такую систему часто используют в ядерной физике и физике элементарных частиц.