Часто решение задач, исходя из законов Ньютона, оказывается невозможным или очень сложным. Самый простой пример – на тело действует сила, зависящая от времени или вовсе неизвестная по величине. В таких случаях решение задачи возможно с использованием законов сохранения импульса и механической энергии.
Импульс
– физическая величина, равная произведению массы тела на вектор скорости
. Достаточно переписать второй закон Ньютона в следующем виде:
, чтобы заметить, что импульс, стоящий в правой части уравнения, остаётся постоянным, если сила равна нулю. Системы тел, на которые не действуют внешние силы или векторная сумма всех внешних сил равна нулю, называются замкнутыми. Закон сохранения импульса в механике выполняется только для замкнутых систем и только относительно инерциальных систем отсчёта. Приближённо закон сохранения импульса выполняется, если внешняя сила всё-таки действует, но очень малый промежуток времени
. Тогда в левой части уравнения второго закона Ньютона будет приближённо ноль и правая часть приближённо остаётся неизменной. Такой случай встречается, например, при разрыве снарядов – разрыв происходит столь быстро, что если рассматривать состояния непосредственно перед и сразу после разрыва, то сила тяжести не успевает изменить импульса системы. Кроме этого, если на систему постоянно действуют внешние силы, уравнение второго закона Ньютона можно записать в проекциях на оси координат и всегда возможно выбрать одну из осей так, что проекция на неё внешней силы будет равна нулю. В этом случае неизменной будет только проекция вектора импульса на найденное направление. Например, проекция силы тяжести на горизонтальное направление равна нулю и поэтому проекция импульса на это направление остаётся неизменной.
По определению, работа силы
при перемещении тела на расстояние
равна:
,где
– угол между вектором силы и вектором перемещения
. Работа является аддитивной величиной – работа суммы сил равна сумме работ каждой силы в отдельности. Работа всех сил, приложенных к телу, равна приращению кинетической энергии тела:
.