Импульс: определение, виды и свойства¶

Импульс (от лат. impulsus — толчок, побуждение) — в широком смысле кратковременное воздействие, толчок или побуждение, вызывающее изменение состояния системы; в зависимости от области применения термин имеет специализированные значения. В физике различают импульс тела (количество движения) и импульс силы; в электротехнике и связи импульсом называют кратковременное изменение напряжения или тока; в нейрофизиологии — волну возбуждения, распространяющуюся по нервному волокну; в психологии — внутреннее побуждение к действию.

¶Физика: импульс тела и импульс силы

В классической механике импульс тела (количество движения) — векторная физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость: p = mv. Единица измерения в СИ — килограмм-метр в секунду (кг·м/с). Понятие введено Рене Декартом, который в 1644 году в работе «Начала философии» сформулировал закон сохранения количества движения, однако в его трактовке величина определялась как произведение массы на модуль скорости без учёта векторности. Уточнение внесли Христиан Гюйгенс и Исаак Ньютон, придав импульсу векторный характер.

Импульс силы — векторная величина, равная произведению силы на время её действия: J = F·Δt. Для переменной силы используется интеграл по времени. Согласно второму закону Ньютона, изменение импульса тела равно импульсу действующей на него силы. В замкнутой системе (при отсутствии внешних сил) суммарный импульс тел сохраняется — это фундаментальный закон природы, являющийся следствием однородности пространства. Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения, работы ракетных двигателей, анализа соударений тел.

В релятивистской механике импульс определяется как p = m·v/√(1 − v²/c²), где c — скорость света в вакууме, что обеспечивает сохранение импульса при скоростях, близких к световым. В квантовой механике импульс частицы связан с длиной волны де Бройля соотношением λ = h/p, где h — постоянная Планка.

¶Электротехника и радиосвязь

В электротехнике импульсом называют кратковременное отклонение напряжения или тока от некоторого постоянного уровня. Основные параметры импульса: амплитуда, длительность, длительность фронта (нарастания) и среза (спада), период повторения и скважность (отношение периода к длительности импульса). По форме различают прямоугольные, треугольные, пилообразные, экспоненциальные и колоколообразные импульсы.

Импульсные сигналы широко применяются в радиолокации (зондирующие импульсы), цифровой электронике (тактовые импульсы), импульсных блоках питания, системах телеуправления. В цифровой технике наличие или отсутствие импульса кодирует логические единицы и нули. Для передачи информации по линиям связи используются импульсно-кодовые модуляции, при которых аналоговый сигнал дискретизируется и кодируется последовательностью импульсов.

В физиологии импульс — это потенциал действия, распространяющийся по мембране нервной клетки (нейрона). Нервный импульс возникает при деполяризации мембраны выше порогового уровня и подчиняется закону «всё или ничего»: при достижении порога возникает полный по амплитуде импульс, при не достижении — не возникает вовсе. Скорость проведения импульса по миелинизированным аксонам достигает 120 м/с, по безмиелиновым — 0,5–2 м/с. Передача импульса между нейронами осуществляется через синапсы с помощью нейромедиаторов. Нервные импульсы кодируют сенсорную информацию, управляют сокращением мышц и работой внутренних органов.

¶Психология и поведение

В психологии импульс (импульсивное побуждение) — врождённое или приобретённое внутреннее стремление к действию, возникающее внезапно и часто не контролируемое сознанием. Импульсивность как черта личности характеризуется склонностью действовать без достаточного обдумывания последствий. В психоанализе Зигмунда Фрейда импульсы рассматриваются как проявления бессознательных влечений (либидо и мортидо), требующих удовлетворения. В когнитивной психологии импульс противопоставляется рациональному планированию; контроль импульсов считается важным компонентом эмоционального интеллекта и исполнительных функций мозга, локализованных в префронтальной коре.

¶Гидравлика и механика жидкостей

В гидравлике импульсом давления называют кратковременное повышение давления в трубопроводе, возникающее при резком изменении скорости потока (гидравлический удар). Это явление впервые исследовал Николай Жуковский в 1898 году; он вывел формулу для расчёта величины скачка давления: Δp = ρ·c·Δv, где ρ — плотность жидкости, c — скорость распространения ударной волны, Δv — изменение скорости потока. Гидроудар способен разрушать трубопроводы и оборудование, поэтому для защиты применяются гасители импульсов, воздушные колпаки и плавное закрытие задвижек.

¶Применение импульсных технологий

Импульсные технологии находят применение в различных отраслях. Импульсная сварка использует кратковременные разряды тока для соединения металлов. Импульсная лазерная обработка позволяет наносить микроотверстия и проводить прецизионную резку. В медицине применяются импульсные методы: электроимпульсная терапия для дефибрилляции сердца, импульсное магнитное поле для стимуляции тканей. Импульсные источники питания (импульсные блоки питания) благодаря высокой эффективности (до 90–95 %) вытеснили линейные стабилизаторы в большинстве электронных устройств. В сейсморазведке и геофизике импульсные источники (вибраторы, пневмопушки) используются для создания упругих волн, исследующих строение земной коры.

¶Интересные факты

• Реактивное движение, основанное на законе сохранения импульса, впервые практически применил Герон Александрийский в I веке н. э., создав прообраз паровой турбины (эолипил).
• В нейрофизиологии скорость проведения импульса впервые измерил Герман Гельмгольц в 1850 году, используя препарат седалищного нерва лягушки.
• Импульс фотона, несмотря на отсутствие массы покоя, оказывает давление на поверхности — это явление используется в проектах космических парусов.
• В электроэнцефалографии импульсная активность нейронов головного мозга регистрируется как ритмические колебания электрических потенциалов.