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Der Impulserhaltung

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Physics I

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JoVE Science Education Physics I

Conservation of Momentum

1.2: Force and Acceleration

1.13: Energy and Work

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09:46 min

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April 30, 2023

Overview

Quelle: Nicholas Timmons, Asantha Cooray, PhD, Department of Physics & Astronomie, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, CA

Das Ziel dieses Experiments ist das Konzept der Impulserhaltung zu testen. Durch die Einrichtung einer Oberfläche mit sehr wenig Reibung, können Kollisionen zwischen sich bewegenden Objekte untersucht werden, einschließlich deren Anfangs- und Endwert Momenta.

Die Impulserhaltung ist eines der wichtigsten Gesetze in der Physik. Wenn etwas in der Physik erhalten bleibt, ist der anfängliche Wert gleich auf den Endwert. Für Dynamik bedeutet dies, dass die gesamte erste Dynamik eines Systems die insgesamt letzte Dynamik gleich sein wird. Newtons zweite Gesetz besagt, dass die Kraft auf ein Objekt gleich die Änderung in das Objekt Schwung mit der Zeit sein wird. Diese Tatsache, verbunden mit der Idee, dass Impuls ist erhalten, die Funktionsweise der klassischen Mechanik untermauert und ein leistungsfähiges Problemlösungs-Werkzeug ist.

Principles

Dynamik ist definiert als die Masse eines Körpers mal seine Geschwindigkeit :

. (Gleichung 1)

Dynamik im Hinblick auf die einwirkenden Kräfte auf ein Objekt (Newtons zweites Gesetz) kann man auch definieren:

. (Gleichung 2)

Hier, ist die erste Dynamik und ist der letzte Impuls, mit dem gleichen Übereinkommen zur Zeit und . Die Summe der einwirkenden Kräfte auf ein Objekt entspricht die Änderung des Impulses des Objekts mit der Zeit. Daher gibt es keine Nettokraft, die auf ein Objekt wirkt, wird die Änderung in das Momentum Null sein. Anders ausgedrückt: in einem geschlossenen System mit keine äußeren Kräfte, die anfängliche Dynamik werden gleich den letzten Schwung.

Dieses Konzept wird im Rahmen der eindimensionale und zweidimensionale Kollisionen am leichtesten verstanden. Im eindimensionalen Kollisionen, ein Objekt mit Masse und anfängliche Geschwindigkeit kollidiert mit einem anderen Objekt mit Masse und anfängliche Geschwindigkeit . Bei diesen Kollisionen werden äußere Kräfte auszugehen, zu klein zu wirken. Im Labor wird ein Luft-Track verwendet, um die Reduzierung der Reibung, eine externe Kraft auf die Segelflugzeuge. Wenn die ursprüngliche Dynamik der letzte Impuls, dann entspricht:

, (Gleichung 3)

wo die grundierten Geschwindigkeiten darstellen, dass endgültige Geschwindigkeiten und die ungestrichenen Geschwindigkeiten die Anfangsgeschwindigkeiten darstellen.

Abbildung 1 . Versuchsaufbau.

Procedure

1. das Verständnis des Photogate Timers.

Mit einer Waage, Messen Sie und notieren Sie die Masse jedes Segelflugzeug.
Legen Sie ein Segelflugzeug auf der Strecke mit einem Photogate Timer.
Stellen Sie den Photogate Timer zur Einstellung “Tor”.
Wenn der Schirm der Photogate durchläuft, wird es die Zeiten aufzuzeichnen, an der die Flagge über dem Schirm durch das Tor geht. Auf einer hin-und Rückfahrt wird die Photogate keine neue Zeit angezeigt. Schalter der Knebel zu “lesen”, so dass es, die erste Zeit zuzüglich der Zeit des zweiten angezeigt wird pass durch das Tor.
Die Flagge ist 10 cm lang; bestimmen Sie die Geschwindigkeit des Gleitschirms mit der Tatsache, dass die Geschwindigkeit Strecke geteilt durch Zeit.
Senden Sie das Segelflugzeug durch die Photogate mehrmals, einschließlich der hin-und Rückflüge nach es der gegenüberliegenden Wand prallte hat und Messen Sie die Geschwindigkeiten, um mit der Ausrüstung vertraut. Denken Sie daran, dass Geschwindigkeit eine Richtung hat. Lassen Sie die Anfangsgeschwindigkeit Richtung positiv darstellen und die entgegengesetzte Richtung negative Velocity-Werte darstellen.

(2) zwei Segelflugzeuge gleich Masse.

Platzieren Sie zwei Segelflugzeuge und zwei Photogate Timer auf der Strecke, wie in Abbildung 1.
Verwenden Sie Gleichung 3 um den Ausdruck für die endgültige Geschwindigkeit zu bestimmen. In diesem Teil des Experiments startet Segelflugzeug B vom Rest.
Schirm geben einige Anfangsgeschwindigkeit so, daß es mit Segelflugzeug B. Datensatz die Anfangsgeschwindigkeit des Schirms A kollidieren wird, sowie die endgültige Geschwindigkeiten jedes Segelflugzeug. Tun Sie dies drei Mal, tragen Sie Ihre Ergebnisse und vergleichen Sie diese mit der theoretischen Vorhersage.

3. zwei Segelflugzeuge der ungleichen Masse.

Fügen Sie 4 Gewichte, Segelflugzeug B, die doppelte seiner Masse werden. Wiederholen Sie die Schritte 2.1-2.3.

4. gleich Massen Rest nicht ab

Entfernen Sie die Gewichte von Schirm B.
Wiederholen Sie die Schritte 2.1-2.3, aber geben Sie Schirm B eine Anfangsgeschwindigkeit als auch in Richtung Segelflieger A.

Der Impulserhaltung ist eines der wichtigsten Gesetze in der Physik und fördert viele Phänomene in der klassischen Mechanik.

Dynamik, in der Regel gekennzeichnet durch den Buchstaben p, ist das Produkt aus Masse m und Geschwindigkeit v Das Prinzip der Erhaltung der Dynamik besagt, dass ein Objekt ändern in Schwung oder Δp, gleich Null ist, sofern keine externen Nettokraft angewendet wird.

Umgekehrt, Anwendung einer externen Nettokraft oder F net, über einen Zeitraum von Zeit führt zu einer Änderung des Impulses für dieses Objekt. Das Phänomen der Dynamik Erhaltung kann auch auf eine Auflistung von Objekten, macht es nützlich für das Studium der Physik von Kollisionen angewendet werden.

Das Ziel dieses Experiments ist es, das Prinzip der Impulserhaltung testen, indem Sie Kollisionen zwischen sich bewegenden Objekte zu beobachten.

Vor dem Eintauchen in die Laborexperiment, studieren wir die grundlegenden Prinzipien der Dynamik Erhaltung. Newtons Gesetze der Bewegung sind von zentraler Bedeutung für das Verständnis des Grundsatzes der Erhaltung der Dynamik. Für weitere Informationen sehen Sie bitte Jupiters Science Education Video: Newtons Gesetze der Bewegung.

Die Konzepte der Dynamik können mit einem Cue Ball auf einem Billardtisch dargestellt werden. Newtons zweite Gesetz besagt, dass eine resultierende Kraft angewendet durch eine Queue eine Beschleunigung ein , eine weiße Kugel der Masse mvermittelt. Die Beschleunigung ist die Änderung der Geschwindigkeit V über Zeit t. Also, wenn wir mal auf die andere Seite der Gleichung bewegen, sind wir mit ΔMvoder die Veränderung der Dynamik Δplinks. Daher entsteht die Nettokraft, die eine Änderung des Impulses.

Beachten Sie, dass das m in diese Gleichung in der Regel konstant ist, also die Änderung des Impulses auf die unterschiedliche Geschwindigkeiten an den letzten und ersten Referenzpunkten angewiesen ist. Und da Geschwindigkeit eine Vektorgröße ist, einen positiven oder negativen Vorzeichen ist zurückzuführen auf den Wert der Bewegungsrichtung anzeigt.

Im Beispiel weiße Kugel ist die Anfangsgeschwindigkeit bei Punkt A–gekennzeichnet durch vA in dieser Gleichung–gleich Null. Während die Endgeschwindigkeit bei Punkt B positiv ist. So ist die Dynamik-Änderung positiv durch die Nettokraft, die durch den Stick angewendet. Dann, wenn der Ball von Punkt B, Punkt C bewegt, vorausgesetzt, es gibt keine äußeren Kräfte auf die Kugel wie Reibung oder Luft Widerstand, Δp einwirkende null wäre.

Beachten Sie, dass die Dynamik nur in einem isolierten System – ein System net Außenkräfte unberührt erhalten werden kann.

Jetzt, , wenn die weiße Kugel bewegt sich von Punkt C und die Seite des Tisches an Punkt D trifft, wird seine Endgeschwindigkeit Null. So wird die Dynamik Änderung negativ unter Beibehaltung den gleichen Größenordnung wie bei der Ball von der Queue getroffen wurde. Schließlich, wenn die Cue-Ball von der Wand abprallt, ist seine Endgeschwindigkeit im Punkt E negativ durch Richtungsänderung. Wir wissen, dass die Anfangsgeschwindigkeit an Punkt D ist gleich Null, daher bleibt die Änderung des Impulses negativ aufgrund der Änderung der Bewegungsrichtung.

Dieses Phänomen der Dynamik Veränderung und Erhaltung ist nützlich für Studium Kollisionen sowie, wie zwischen zwei Billardkugeln. Beachten Sie, dass in diesem Fall die beiden Kugeln zusammen als ein isoliertes System behandelt werden würde. Daher entspricht die Summe der ersten Momenta die Leichen vor der Kollision die Summe ihrer endgültigen Momenta danach. Die Dynamik Änderung eines Körpers wäre auch, gleiche und entgegengesetzte mit derjenigen der anderen – Newtons dritte Gesetz widerspiegelt.

Beachten Sie, dass diese Pool-Ball-Stöße elastisch, was bedeutet, dass sowohl Impuls und kinetische Energie oder KE, des Systems, konserviert gelten würde; aber dies ist nicht immer der Fall. In der Tat, häufiger begegnet Kollisionen, wie Autounfälle, sind unelastisch und kann Dynamik Erhaltung nicht gehorchen, weil einige kinetische Energie während des Aufpralls verloren geht.

Nun, da wir die Prinzipien der Dynamik Erhaltung überprüft haben, mal sehen, wie diese Konzepte zu einem Experiment mit Kollisionen von Segelflugzeugen auf einer in der Nähe von reibungsfreien Spur angewendet werden können.

Dieses Experiment besteht aus zwei Segelflugzeuge gleich Masse, Zusatzgewichte, eine Luftzufuhr, ein Luft-Track mit Stoßstangen und ein Lineal, ein Gleichgewicht, zwei Photogate Timer.

Zunächst Verwendung der Waage, Messen Sie die Massen von Segelflugzeugen, die Zusatzgewichte zu und zeichnen Sie diese Werte. Als nächstes schließen Sie die Luftzufuhr zum Air Track und schalten Sie ihn ein. Ein Luft-Schiene dient zur Reduzierung der Reibung, die eine externe Kraft auf die Segelflugzeuge wäre.

Jetzt beginnen Sie sich vertraut zu machen mit dem Timing-Prozess indem ein Schirm und ist Bestandteil eines Photogate Timer auf der Strecke. Stellen Sie den Timer auf die “Gate”-Einstellung, und drücken Sie den Schirm in Richtung der Photogate. Wenn die Flagge über dem Schirm die Photogate durchläuft speichert es die Transitzeit. Wissen die Flagge 10 Zentimeter lang ist, teilen Sie diesen Abstand durch die gemessene Zeit, um die Geschwindigkeit des Gleitschirms.

Der Schirm wird weit Stoßstange abprallen und zurückkehren, um die Photogate erneut durchlaufen. Die Photogate zeigt die anfängliche Laufzeit und umschaltbar auf “lesen” Einstellung zum Anzeigen der Uhrzeit Rückkehr Transit. Wiederholen Sie den Vorgang zur Messung der Geschwindigkeit des Gleitschirms während der aus- und wieder Fahrten mit dem Prozess vertraut. Da Geschwindigkeit eine Vektorgröße ist, lassen Sie die anfängliche Richtung positiv sein und die Rückfahrt Richtung negativ sein.

Legen Sie einen zweiten Schirm und Photogate Timer auf dem Weg auf der rechten Seite des ersten Satzes. Drücken Sie mit Schirm 2 in Ruhe Segelflugzeug 1, damit die beiden kollidieren werden. Notieren Sie die Anfangsgeschwindigkeit des Schirms 1 sowie die endgültige Geschwindigkeiten jedes Segelflugzeug. Beachten Sie, dass der Momenta werden gemessen nach , was die impulsive Kraft angewendet wurde und das System isoliert ist. Wiederholen Sie diesen Vorgang dreimal um mehrere Datensätze zu erhalten.

Legen Sie als nächstes mit Segelflugzeugen in ihren ursprünglichen Positionen, einen zusätzlichen Satz von Gewichten auf Schirm 2, der seiner Masse verdoppelt. Wiederholen Sie den vorherigen Satz von Geschwindigkeitsmessungen für diese Masse Konfiguration und zeichnen Sie diese Werte.

Zu guter Letzt die Segelflugzeuge auf ihre ursprünglichen Positionen zurückgesetzt und die Zusatzgewichte vom Segelflugzeug 2 nehmen. Für diese Gruppe von Messungen Segelflugzeug 2 eine Anfangsgeschwindigkeit erfolgt so, dass beide Segelflugzeuge einen Stoß vor der Kollision erhalten. Zeichnen Sie die erste und letzten Geschwindigkeiten für jedes Segelflugzeug auf und wiederholen Sie diesen Vorgang dreimal.

Für das erste Experiment mit gleichen Massen und Segelflugzeug 1 zunächst bewegen, Segelflugzeug 1 fast völlig zum Stillstand nach einer Kollision mit Segelflugzeug 2 kommt. Und die Geschwindigkeit des Schirms 2 nach Kollision ist vergleichbar mit der Geschwindigkeit des Schirms 1 vor der Kollision. So die Änderung des Impulses eines Segelflugzeugs ist gleich und entgegengesetzt der Dynamik-Änderung des anderen, was macht dies ein gutes Beispiel für 3. Gesetz des Newtons

Wie erwartet, die Anfangs- und Endwert Momenta des Gesamtsystems fast gleich sind, reflektiert der Impulserhaltung. Abweichungen in diesen Momenta Werte stehen im Einklang mit Fehler erwartet für diese Art von Experiment einschließlich Messfehler und die Strecke nicht völlig eben sein.

Für das zweite Experiment ungleiche Massen Segelflugzeug 1 kommt nicht zur Ruhe nach der Kollision mit den schwereren Schirm, aber kehrt nach Vermittlung etwas an Dynamik zu Segelflugzeug 2.

Wieder einmal sind die Dynamik die Segelflugzeuge gleiche und entgegengesetzte während die Dynamik des Gesamtsystems konserviert ist. Die System-Dynamik sowie die Anfangs- und Endwert kinetischen Energien sind fast konserviert. Und zwar deshalb, weil die Kollision fast elastisch ist und daher vernachlässigbar externe Reibungskräfte vorhanden sind.

Für das dritte Experiment Segelflugzeuge der gleichen Masse, die in entgegengesetzte Richtungen bewegen die Segelflugzeuge besitzen ähnliche erste Momenta und dann umkehren ihre Richtungen nach einer Kollision unter Beibehaltung der Momenta hineinwachsen.

Die Dynamik des Gesamtsystems ist erhalten, obwohl die Diskrepanzen in der Anfangs- und Endwert Dynamik-Werte etwas größer als die bisherigen Experimente aufgrund der zusätzlichen Geschwindigkeitsmessung erforderlich und potenziell größere Reibungsverluste sind.

Das Prinzip der Impulserhaltung, während in der Regel nicht in Betracht gezogen, ist prominent in alle Arten von Aktivitäten und Veranstaltungen. Ohne Schwung wäre Erhaltung Raketenantrieb nicht möglich. Zunächst die Rakete und seinen Kraftstoff sind unbeweglich und haben null Dynamik.

Allerdings wird durch schnell vertreiben abgebrannten Brennelemente, die Masse und Impuls hat, die Rakete nach oben, durch den Schwung in die entgegengesetzte Richtung der ausrangierten Kraftstoff angetrieben. Dies erklärt, wie Raketen Schub erstellen und in Luft oder Raum ohne Druck gegen alles treiben.

Die Entlastung einer Feuerwaffe hat eine bemerkenswerte Verbindung mit der Impulserhaltung.

Wie die Rakete-Fuel-System beginnt die Waffe Munition System auch in Ruhe. Wenn die Munition aus der Waffe mit einer enormen Geschwindigkeit ausgelöst wird, muss es Schwung um Gegenmaßnahmen gegen werden. Dies ist bekannt als Rückstoß und kann sehr kraftvoll sein.

Sie habe nur Jupiters Einführung in der Impulserhaltung beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen das Prinzip Dynamik Erhaltung und wie diese angewendet werden kann, um Probleme zu lösen und die Physik der Kollisionen zu verstehen. Wie immer vielen Dank für das ansehen!

Results

Tabelle 1. Ergebnisse aus zwei Segelflugzeuge gleich Masse.

Segelflugzeug (Testversion)	(cm/s)	(cm/s)	(cm/s)	(cm/s)	Unterschied (%)
(1)	72,5	-0,2	–	–	–
B (1)	0.0	67,1	72,5	66,9	8
A (2)	35,6	0,3	–	–	–
B (2)	0.0	37,4	35,6	37,7	6
(3)	47,4	0.0	–	–	–
B (3)	0.0	47,8	47,4	47,8	1

Tabelle 2. Ergebnisse aus zwei Segelflugzeuge der ungleichen Masse.

Segelflugzeug (Testversion)	(cm/s)	(cm/s)	(kg cm/s)	(kg cm/s)	Unterschied (%)
(1)	52,9	-10.7	–	–	–
B (1)	0.0	37,7	52,9	64,7	22
A (2)	60.2	-13.2	–	–	–
B (2)	0.0	41,5	60.2	69,8	16
(3)	66,2	-12,0	–	–	–
B (3)	0.0	45.9	66,2	79,7	20

Tabelle 3. Ergebnisse von gleicher Massen nicht vom Rest ab.

Segelflugzeug (Testversion)	(cm/s)	(cm/s)	(cm/s)	(cm/s)	Unterschied (%)
(1)	48,8	-29.9	–	–	–
B (1)	-42.4	39,8	6.4	9.9	55
A (2)	38,6	-25.2	–	–	–
B (2)	-33.4	32,8	5.2	7.6	46
(3)	38,9	-43.1	–	–	–
B (3)	-48.5	36,3	-9.6	-6,8	41

Die Ergebnisse für die Schritte 2, 3 und 4 bestätigen die Prognosen von Gleichung 3. In Schritt 2 kommt Segelflugzeug A ein fast vollständig zum Stillstand nach einer Kollision mit Segelflugzeug B. Daher fast alle seine Dynamik auf Schirm B. übertragen In Schritt 3 kommt die Gleiter A nicht zum Stillstand nach einer Kollision mit schwerer Schirm B. Stattdessen kehrt es in die entgegengesetzte Richtung nach Vermittlung etwas an Dynamik zu Schirm B. In Schritt 4 bleibt die gesamte Dynamik des Systems unverändert, trotz ändert sich die Richtung der beiden Schirme. Die Tatsache, dass in einigen Fällen die gesamte Dynamik scheint zu erhöhen und die Geschwindigkeiten der beiden Segelflugzeuge Abnahme bezieht sich auf die Tatsache, dass experimentelle Fehler vorliegt und der Kollisionen selbst nicht vollkommen elastisch sind. Schall- und Wärmeschutz, da durch die Kollisionen können Energie aus dem System nehmen. Die Tatsache kann, dass die Luft Strecke möglicherweise nicht völlig Ebene das Verhalten der Geschwindigkeiten der Schirme ändern. Wenn die Strecke sogar leicht geneigt ist, erhöht sich die Geschwindigkeiten in diese Richtung aufgrund der Schwerkraft. Die Ergebnisse zeigen weiterhin, dass die gesamten Dynamik des Systems, unabhängig von Anfangsgeschwindigkeiten, konstant bleibt.

Applications and Summary

Ohne Schwung Erhaltung würde Raketen nie den Boden verlassen. Drücken Sie Raketen nicht wirklich gegen alles-sie verlassen sich auf Schub zum abheben. Zunächst, der Kraftstoff von einer Rakete und die Rakete selbst sind unbeweglich und haben null Dynamik. Wenn Sie starten, treibt die Rakete abgebrannten Brennelemente aus sehr schnell. Diese Brennelemente hat Masse und Impuls. Wenn der letzte Schwung gleich den ersten Schwung (null) sein muss, dann muss es etwas Schwung in die entgegengesetzte Richtung des verworfenen Kraftstoffs. Somit wird die Rakete nach oben angetrieben.

Wer jemals eine Waffe abgefeuert hat versteht der Impulserhaltung. Wie die Rakete/Fuel-System von oben startet das Waffe/Munition-System auch in Ruhe. Wenn die Munition aus der Pistole mit einer enormen Geschwindigkeit ausgelöst wird, muss etwas Schwung in die entgegengesetzte Richtung, die Dynamik der Gewehrkugel zu stornieren. Dies ist bekannt als Rückstoß und kann sehr kraftvoll sein.

Das beliebte Schreibtisch Ornament, das aus mehreren Metallkugeln von Saiten hängen besteht nennt man eine “Newtons Wiege” aus gutem Grund. Es ist ein weiteres Beispiel für die Impulserhaltung. Wenn ein Ball aufgehoben und freigegeben ist, erscheint es seinem Nachbarn, ihren Schwung zu übertragen. Die Dynamik fährt auf der ganzen Linie, bis der letzte Ball die Dynamik des ersten hat, wodurch es zu nach außen schwingen. Dies würde ewig dauern, wenn nicht für äußere Kräfte, wie Luft Widerstand und Energieverluste durch die Kollisionen gehen.

In diesem Experiment wurde das Gesetz der Impulserhaltung überprüft, unter Berücksichtigung der Kollision von zwei Segelflugzeuge in der Nähe von frictionless planmäßig. Dieses fundamentale Gesetz ist vielleicht wichtigsten wegen seiner Leistung, Probleme zu lösen. Wenn jemand, die ersten Momenta weiß, dann die endgültige Momenta kennt und umgekehrt.

Transcript

Conservation of momentum is one of the most important laws in physics and underpins many phenomena in classical mechanics.

Momentum, typically denoted by the letter p, is the product of mass m and velocity v. The principle of momentum conservation states that an object’s change in momentum, or Δp, is zero provided no net external force is applied.

Conversely, applying a net external force, or F net, over a period of time results in a change in momentum for that object. The phenomenon of momentum conservation can also be applied to a collection of objects, which makes it useful for studying the physics of collisions.

The goal of this experiment is to test the principle of conservation of momentum by observing collisions between moving objects.

Before delving into the lab experiment, let’s study the basic principles of momentum conservation. Newton’s laws of motion are central to understanding the principle of momentum conservation. For more information, please watch JoVE’s Science Education video: Newton’s Laws of Motion.

The concepts of momentum can be illustrated using a cue ball on a pool table. Newton’s second law states that a net force applied by a cue stick imparts an acceleration a to a cue ball of mass m. Acceleration is the change in velocity v over time t. So, if we move time to the other side of the equation, we are left with Δmv, or the change in momentum Δp. Therefore, the net force gives rise to a change in momentum.

Note that the m in this equation is typically constant, so the change in momentum is dependent on the difference in velocities at the final and initial reference points. And since velocity is a vector quantity, a positive or negative sign is attributed to its value which indicates direction of motion.

In the cue ball example, the initial velocity at point A — denoted by vA in this equation — is zero. Whereas the final velocity at point B is positive. Thus, the momentum change is positive due to the net force applied by the stick. Then, when the ball is moving from point B to point C, assuming that there are no external forces acting on the ball like friction or air resistance, Δp would be zero.

Note that momentum can only be conserved in an isolated system – a system unaffected by net external forces.

Now, when the cue ball moves from point C and strikes the side of the table at point D, its final velocity becomes zero. Thus, the momentum change becomes negative while retaining the same magnitude as when the ball was struck by the cue stick. Lastly, when the cue ball rebounds off the wall, its final velocity at point E is negative due to change in direction. We know that the initial velocity at point D is zero, therefore the change in momentum remains negative because of the change in direction of movement.

This phenomenon of momentum change and conservation is useful for studying collisions as well, like between two pool balls. Note that in this case the two balls together would be treated as an isolated system. Therefore, the sum of the bodies’ initial momenta before the collision would equal the sum of their final momenta afterwards. Also, the momentum change of one body would be equal and opposite to that of the other – reflecting Newton’s third law.

Note that these pool ball collisions would be considered elastic, meaning that both momentum and kinetic energy or KE, of the system, are conserved; but this is not the case always. In fact, more commonly encountered collisions, such as car crashes, are inelastic and may not obey momentum conservation because some kinetic energy is lost during impact.

Now that we have reviewed the principles of momentum conservation, let’s see how these concepts can be applied to an experiment involving collisions of gliders on a near frictionless track.

This experiment consists of a balance, two photogate timers, two gliders of equal mass, additional weights, an air supply, an air track with bumpers, and a ruler.

First, using the balance, measure the masses of the gliders, the additional weights, and record these values. Next, connect the air supply to the air track and turn it on. An air track is used to reduce the amount of friction, which would be an external force on the gliders.

Now begin familiarizing yourself with the timing process by placing one glider and a component of one of the photogate timers on the track. Set the timer to the ‘gate’ setting and push the glider toward the photogate. When the flag above the glider passes through the photogate it will record its transit time. Knowing the flag is 10 centimeters long, divide this distance by the measured time to get the velocity of the glider.

The glider will bounce off the far bumper and return to pass through the photogate again. The photogate displays the initial transit time and can be switched to the ‘read’ setting to display the return transit time. Repeat the process of measuring the velocity of the glider during the initial and return trips to familiarize yourself with the process. Since velocity is a vector quantity, let the initial direction be positive and the return direction be negative.

Place a second glider and photogate timer on the track to the right of the first set. With glider 2 at rest, push glider 1 so that the two will collide. Record the initial velocity of glider 1 as well as the final velocities of each glider. Note that the momenta are being measured after the impulsive force has been applied and the system is isolated. Repeat this procedure three times to get multiple data sets.

Next, with the gliders in their original positions, place an additional set of weights on glider 2 that doubles its mass. Repeat the previous set of velocity measurements for this mass configuration and record these values.

Lastly, reset the gliders to their original positions and remove the additional weights from glider 2. For this set of measurements, glider 2 will be given an initial velocity such that both gliders will receive a push prior to the collision. Record the initial and final velocities for each glider and repeat this procedure three times.

For the first experiment involving equal masses and glider 1 initially moving, glider 1 comes to almost a complete stop after colliding with glider 2. And the velocity of glider 2 after collision is similar to the velocity of glider 1 before collision. Thus, the change in momentum of one glider is equal and opposite to the momentum change of the other, which makes this a good example of Newton’s 3rd Law

As expected, the initial and final momenta of the whole system are nearly equal, reflecting conservation of momentum. Discrepancies in these momenta values are consistent with errors expected for this type of experiment including measurement error and the track not being completely level.

For the second experiment involving unequal masses, glider 1 does not come to rest following the collision with the heavier glider, but reverses direction after imparting some momentum to glider 2.

Once again, the momentum changes of the gliders are equal and opposite while the momentum of the total system is conserved. The system momentum as well as its initial and final kinetic energies are nearly conserved. This is because the collision is nearly elastic and therefore negligible external friction forces are present.

For the third experiment involving gliders of equal mass moving in opposite directions, the gliders possess similar initial momenta and then reverse their directions after colliding while retaining their magnitudes of momenta.

The total system momentum is conserved although the discrepancies in the initial and final momentum values are slightly larger than the previous experiments owing to the additional velocity measurement required and potentially larger losses due to friction.

The principle of conservation of momentum, while not typically considered, is prominent in all manners of activities and events. Without momentum conservation rocket propulsion would not be possible. Initially the rocket and its fuel are motionless and have zero momentum.

However, by rapidly expelling spent fuel that has both mass and momentum, the rocket is propelled upward, as a result of the momentum in the opposite direction of the discarded fuel. This explains how rockets can create thrust and propel in air or space without pushing against anything.

The discharge of a firearm has a notable association with the conservation of momentum.

Like the rocket-fuel system, the firearm-ammunition system also starts at rest. When the ammunition is fired out of the firearm at a tremendous speed, there has to be opposing momentum to counter it. This is known as recoil and can be very powerful.

You’ve just watched JoVE’s introduction to Conservation of Momentum. You should now understand the principle momentum conservation and how this can be applied to solve problems and understand the physics of collisions. As always, thanks for watching!

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Conservation Of Momentum Physics Classical Mechanics Momentum Mass Velocity External Force Net Force Collisions Experiment Newton's Laws Of Motion Cue Ball Pool Table