Kustībā esoši ķermeņi var sadurties savā starpā, kā arī iespējamas sadursmes ar citiem objektiem. Šajās sadursmēs var mainīties ķermeņu ātrums, kustības virziens, kā arī ķermeņi var deformēties un pat sadalīties. Sadursmes iedala divos veidos:
1) Elastīgas sadursmes;
2) Neelastīgas sadursmes.
Par elastīgām sadursmēm sauc tādas, kurās darbojas tikai elastības spēki (1. att. a). Elastīgās sadursmēs saglabājas ne tikai sistēmas kopējais impulss, bet arī kinētiskā enerģija, savukārt mainās sadursmē iesaistīto ķermeņu ātrumu virziens un lielums.
Neelastīgas sadursmes ir tādas, kurās nesaglabājas sistēmas pilnā kinētiskā enerģija, jo daļa enerģijas aiziet siltumā vai iekšējā enerģijā.Hokejistu sadursmes ar laukuma bortiem vai savā starpā tiek raksturotas kā neelastīgas sadursmes. Neelastīgas sadursmes ir neglābjami saistītas ar ķermeņu formas un struktūras deformācijām. Neelastīgu materiālu ķermeņiem pat nelielas neelastīgas sadursmes var beigties ar materiāla sagrāvi (1. att. b). Saka, ka trauki plīst uz laimi un varbūt tā arī ir, bet no fizikas viedokļa raugoties, trauki plīst tad, kad tie ir iesaistīti neelastīgā sadursmē.
1. att. Elastīga un neelastīga sadursme
Vēl viens piemērs elastīgām sadursmēm ir gaisā esošo molekulu sadursmes (2. att.). Ja šo molekulu sadursmes nebūtu elastīgas, tad molekulas pēc kāda laika zaudētu enerģiju un lokalizētos telpas apakšpusē, nevis piepildītu visu telpu.
2. att. Gaisa molekulu sadursmes
Katra sadursme ilgst noteiktu laika momentu t, kura laikā uz ķermeņiem darbojas sadursmes spēks F. Piemēram, kad rakete iedarbojas uz tenisa bumbiņu (3. Att. a), tad sadursmes spēka atkarība no laika izskatās tā kā redzams 3. Att. b.
Ja sareizina spēka lieluma ar laika momentu, kurā tas ir iedarbojies, iegūst spēka impulsu Ft. Spēka impulsa mērvienība ir ņutonsekunde (N·s).
3. att. Spēka impulss
Spēka impulss sadursmēs ir vienāds ar ķermeņa masas m un ātruma izmaiņas ∆v reizinājumu, tādēļ ķermeņu sadursmes raksturošanai ērti lietot fizikālu lielumu impulsu p=mv (4. att.), kur
m - ķermeņa masa, kg
v - ķermeņa ātrums, m/s
Impulss ir vektoriāls lielums, proti, tam piemīt gan noteikta vērtība, gan virziens, kurā tas darbojas. Izmantojot impulsu, var novērtēt ķermeņu uzvedību dažādās sadursmēs.
4. att. Ķermeņa impulss
Ja sadursmē piedalās vairāki kustībā esoši ķermeņi, tad noteicošais ir ķermeņu kopējais impulss, ko iegūst, vektoriāli saskaitot visus sadursmē iesaistīto ķermeņu impulsus (1. att.).
1. att. Kopējais ķermeņu impulss
Ja ķermeņu sistēma ir noslēgta, tad darbojas impulsa nezūdamības likums, kas nosaka to, ka noslēgtā sistēmā saglabājas ķermeņu kopējais impulss. Tieši impulsa nezūdamības likums padara impulsu par tik noderīgu lielumu, jo tas ļauj aprēķināt sadursmes iznākumu, neuztraucoties par tās, iespējams, sarežģīto gaitu. Piemēram, ja biljarda bumbiņai piešķir impulsu p (2. att. a), tad pēc sadursmes ar citu bumbiņu (2. Att. b), impulss piemīt abām bumbiņām, attiecīgi p1 un p2. Saskaitot šos impulsus, iegūst sākotnējo impulsu p=p1+p2 (2. Att. b).
2. att. Impulsa nezūdamības likums
Arī ķermeņiem ar krasi atšķirīgām masām var būt vienāds impulss, tikai tiem jāpiešķir atbilstošs ātrums. Piemēram, cilvēkam, kurš kustas ar ātrumu 0,07 m/s ir tāds pats impulss kā futbola bumbai, kas kustas ar ātrumu 12 m/s! Citus gadījumus, kad ķermenim ir impulss 5 kg·m/s, var redzēt 3. att.
3. att. Impulsa nezūdamības likums
Tomēr dažādi ķermeņi ar vienādu impulsu var izraisīt dažādu sadursmes rezultātu. Piemēram, futbola bumba un lode ar vienādu impulsu izraisa atšķirīgu efektu uz loga rūti. Lodes ātrums ir tik liels, ka tā saduras ar loga rūti tikai ļoti īsu brīdi, tādēļ sadursmē rodas milzīgs spēks un lode izskrien cauri logam (4. Att. a), atstājot nelielu caurumu. Savukārt futbola bumba sadursme ar loga rūti ir ilgāka, tādēļ tā paspēj loga rūti deformēt daudz spēcīgāk (4. Att. b).
4. att. Spēka impulss
Sadursmes efektu var izmainīt, mainot ķermeņa masu. Piemēram, ja mēs cenšamies ar āmuru iedzīt dēlī naglu, tad to vieglāk ir izdarīt, ja āmuram piešķir iespējami lielāku ātrumu pirms sitiena (5. Att. a). Lielāku impulsu var iegūt, arī, ja pie nemainīga kustības ātruma palielina tā masu. Tādēļ āmuriem ar lielāku masu nav nepieciešams liels kustības ātrums, lai iedzītu naglu (5. att. b).
5. att. Āmura pielietojums un impulss
Sadursmes mijiedarbība parasti norisinās ļoti īsu laika sprīdi, un jo īsāks ir šīs mijiedarbības laiks, jo lielāki mijiedarbības spēki rodas. Tas ir dēļ spēka impulsa, kas ir iesaistīts mijiedarbībā. Lai atvērtu, piemēram, ievārījuma burku, mēs ar plaukstu noteiktu laika sprīdi pieliekam spēku, kas atbilsts noteiktam spēka impulsam. Šis spēka impulss F∆t ir vienāds ar vāciņa impulsa izmaiņu ∆p, kas pie noteiktas robežas ir pietiekoši, lai vāciņu atskrūvētu (6. att.).
6. att. Spēka impulss darbībā
Attēlojot sadursmes mijiedarbība radušos spēka lielumu grafiski (7. att.) var redzēt, ka tas strauji pieaug un pēc tam tik pat strauji samazinās. Laukums zem līknes ir vienāds ar spēka impulsu. 7. att. grafiski attēlots kā laikā mainās spēks tenisa bumbas sitiena laikā. Laukums zem līknes atbilst spēka impulsam.
7. att. Spēka impulss bumbas sitienā
To, ka ķermeņa impulsa izmaiņa ∆p ir vienāda ar spēka impulsu F·t, seko no vienmērīgi paātrinātas kustības ātruma vienādojuma v=v0+at, kur
v - beigu ātrums, m/s
v0 - sākuma ātrums, m/s
a - paātrinājums, m/s2
t - laiks, s
un 2. Ņutona likuma a=F/t, kur
F - spēks, N
Piemēram, lidmašīnai uz skrejceļa spēka F ietekmē tiek piešķirts paātrinājums a un lidmašīna ar sākuma ātrumu v0 laika momentā t sasniedz ātrumu v (1. att.). Apvienojot kustības ātruma vienādojumu ar 2. Ņutona likumu, iegūst, ka p-p0=F·t, kur
p0 - ķermeņa sākuma impulss, kg·m/s
p - ķermeņa beigu impulss, kg·m/s
Līdz ar to impulsa izmaiņa ∆p ir vienāda ar spēka impulsu F·t (1. att.)!
1. att. Impulsa izmaiņas un spēka impulsa saistība
Lai iegūtu impulsa nezūdamības likumu, jāizmanto 2. un 3. Ņutona likums, kā arī paātrinājuma iegūšanas izteiksme (2. att.). Apskatīsim divas bumbiņas, kas kustas viena otrai pretim. Vienas bumbiņas masa m1 un sākuma ātrums v1s, bet otras bumbiņas masa m2 un sākuma ātrums v2s (2. att.). Pieņemsim, ka uz bumbiņām nedarbojas ārēji spēki un tās veido noslēgtu sistēmu! Lai iegūtu sistēmas kopējo impulsu pirms sadursmes, jāsaskaita abu bumbiņu impulsi (2. att. a). Pēc trešā Ņutona likuma, sadursmes brīdī uz bumbiņām iedarbojas vienādi, bet pretēji vērsti spēki (2. att. b). Izmantojot 2. Ņutona likumu, spēku var aizstāt ar ķermeņa masas un paātrinājuma reizinājumu (2. att. c). Tālāk katra ķermeņa paātrinājumu var izteikt ar tā beigu un sākuma ātruma starpību, izdalot to ar paātrinātās kustības laiku t (2. att. d). Tālāk katrā vienādojuma pusē sareizina vienādojuma locekļus (2. att. e) un samaina tos vietām tā, lai dažādās vieinādojuma pusēs būtu vienādojuma locekļi ar ātrumiem pirms un pēc sadursmes (2. att. f). Šajā brīdī vienādojuma labā puse ir vienāda ar impulsu pirms sadursmes (2. att. a), bet vienādojuma kreisajā pusē impulss pēc sadursmes (2. att. g).
2. att. Impulsa nezūdamības likuma iegūšana
Izmantojot impulsa nezūdamības likumu, var izskaidrot reaktīvās kustības iespējamību. Apskatīsim reaktīvo dzinēju, kura sākotnējā masa kopā ar degvielu ir m un kustības ātrums v (3. att.). Pēc tam no dzinēja sāk izplūdes gāze pretēji dzinēja kustības virzienam ar ātrumu u. Gāzu plūsmas nodrošināšanai tiek sadedzināta degviela, tādēļ pēc laika t dzinēja masa kopā ar degvielu ir samazinājusies līdz m1, bet ātrum palielinājies līdz v1. Uzrakstot impulsa saglabāšanās likumu, iegūst 3. att. (a) redzamo vienādojumu. Atverot iekavas (3. att. b) un pārsnesot kreisajā pusē mv1, iegūst 3. att. (c). Tālāk kreisajā pusē m iznes pirms iekavām (3. att. d) un aizstāj ātrumu starpību ar ∆v un masas starpību ar ∆m (3. att. e). Tālāk, izdalot abas puses ar laiku t, iegūst 3. att. (f). Iegūtā izteiksmē kreisajā pusē (pēc 2. Ņutona likuma) ir spēks, kas darbojas uz dzinēju F. Kā redzams 3. att. (g), tas ir atkarīgs no gāzu izplūdes ātrumu u un ātruma ar kādu samazinās degvielas masa ∆m/t.
3. att. Reaktīvā kustība