0% found this document useful (0 votes)
227 views7 pages

Force and Momentum Explained

Force and momentum are related concepts in physics. The momentum of an object is defined as its mass multiplied by its velocity, and it is a vector quantity. An external force applied to an object causes a change in its momentum over time according to Newton's second law of motion. Specifically, the rate of change of an object's momentum is directly proportional to the applied force and takes place in the direction of the force. Inertia is an object's resistance to changes in its motion due to its mass.

Uploaded by

Sanjaya Perera
Copyright
© © All Rights Reserved
We take content rights seriously. If you suspect this is your content, claim it here.
Available Formats
Download as PDF, TXT or read online on Scribd
0% found this document useful (0 votes)
227 views7 pages

Force and Momentum Explained

Force and momentum are related concepts in physics. The momentum of an object is defined as its mass multiplied by its velocity, and it is a vector quantity. An external force applied to an object causes a change in its momentum over time according to Newton's second law of motion. Specifically, the rate of change of an object's momentum is directly proportional to the applied force and takes place in the direction of the force. Inertia is an object's resistance to changes in its motion due to its mass.

Uploaded by

Sanjaya Perera
Copyright
© © All Rights Reserved
We take content rights seriously. If you suspect this is your content, claim it here.
Available Formats
Download as PDF, TXT or read online on Scribd
You are on page 1/ 7

Force and Momentum 

Momentum  That  is,  due  to  the  effect  of  an  external 
force,  the  momentum  of  an  object  is 
Multiplication  between  mass  (m)  of  a  changed. This change in momentum can be 
moving  object  and  the  velocity  (v)  is  called  expressed by following formula. 
the  linear momentum  of  the  object  at  that 
moment.  Also,  linear  momentum  can  be             
= ‐
defined as the product of the mass and the               
velocity of a particle. 
  ∆𝑃 𝑃 𝑃 
i.e.,     Momentum= mass x velocity 
 Change  in  momentum  is  a  vector; 
  P=mv  because  of  the  momentum  is  a 
vector.  Therefore,  we  should 
 Momentum is a vector.  consider  both  final  and  initial 
 SI units of momentum is kgms‐1  momentums in same directions. 
 Dimensions of momentum is MLT‐1 
 
Ex:  A  10kg  object  (called  X)  is  moving  with 
the  velocity  1ms‐1.  Another  1kg  object   
(called Y) is moving with the velocity 10ms‐1.   
Find the momentum of P and Q. 
 
 P=mv 
 
PX=10kg x 1ms‐1=10kgms‐1  
 
PY=1kg x 10ms‐1=10kgms‐1 
 
NOTE: The momentum of the heavy object 
with  low  velocity  will  be  equal  to  the   
momentum  of  the  light  object  with  high 
 
velocity.   
 
Change in momentum of an object 
 
Magnitude  or  direction  (or  both)  of  the 
moving  object  can  be  changed  due  to  the   
external force acts on that object. Then the 
momentum will be changed accordingly.   

Sanjaya Perera ~ 1 ~
B.Sc(Hons), Maths(Sp)  
Force  Inertia  

Physical  quantities  such  as  velocity,  Inertia is  the  resistance,  of  any 
acceleration of a moving object is changing  physical object, to any change in its velocity. 
due  to  the  external  effect  acts  on  it.  Also,  This includes changes to the object's speed, 
when the external effect acts on a particular  or direction of motion. 
body, momentum is changed. That external 
 Depends  on  the  mass  of  an  object; 
effect is called as a “Force”. Simply, we can 
Objects  with  greater  mass  have 
describe, “Force as a push or a pull acts on 
greater inertia. 
the body”. 
 Does not depend on the presence of 
There  are  03  laws  introduced  by  Sir  Isaac  gravity 
Newton regarding the force. 
Examples:
Newton’s Laws 
1. It is harder to stop a big vehicle, like 
1. Newton's  First  Law  (sometimes  a  bus,  than  a  smaller  vehicle,  like  a 
referred  to  as  the law  of  inertia)  motorcycle.  There  is  more  inertia 
states  that  an  object  will  remain  at  with the bigger object. 
rest  or  in  uniform  motion  in  a   
straight line unless acted upon by an  2. When  a  car  is  abruptly  accelerated, 
unbalanced external force.  drivers  and  passengers  may  feel  as 
  though  their  bodies  are  moving 
2. Newton's second law states that the  backward.  In  reality,  inertia  is 
rate  of  change  of  momentum  of  a  making  the  body  want  to  stay  in 
body  is  directly  proportional  to  the  place as the car moves forward. 
force  applied,  and  this  change  in 
Problem: Explain why the coin falls into the 
momentum  takes  place  in  the 
glass when the cardboard is pulled? 
direction of the applied force. 
 
3. The  third  law  states  that  all  forces 
between  two  objects  exist  in  equal 
magnitude and opposite direction. 
 If one object A exerts a force FA on a 
second  object  B,  then 
B simultaneously  exerts  a 
force FB on A, and the two forces are 
equal  in  magnitude  and  opposite  in   
direction. 
 
i.e: FA = −FB 

Sanjaya Perera ~ 2 ~
B.Sc(Hons), Maths(Sp)  
Mass  Mathematical form of Newton’s 2nd law 

In  generally,  the  term  "mass"  is  used  to  An object with mass m moves with uniform 


refer to the amount of matter in any given  velocity U. At that time, an external force F 
object.  In physics,  mass  is  defined  as  a  applies on that object in the same direction 
quantitative  measure  of  inertia.  It  is,  in  which it moves. Because of F, velocity of the 
effect, the resistance that a body of matter  object is changed in to V within time t. 
offers  to  a  change  in  its  speed  or  position 
upon the application of a force. 

 Mass  of  an  object  remains  constant 


regardless of its location. 
 SI unit of mass is kg.    
 
Final momentum (to the direction)  𝑚𝑉 
Reference frame  Initial momentum (to the direction)  𝑚𝑈 
Change in momentum ()  𝑚𝑉 𝑚𝑈 
A  reference  frame  is  a  space  in  which  we          𝑚 𝑉 𝑈  
are  making  observations  and  measuring   
physical quantities.   According to the Newton’s second law, 
 
There are two types of reference frames:   𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒 𝑅𝑎𝑡𝑒 𝑜𝑓 𝑐ℎ𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛𝑔 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑢𝑚
𝑐ℎ𝑎𝑛𝑔𝑖𝑛𝑔 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑢𝑚
1. Inertial reference frame; 
𝑡𝑖𝑚𝑒
Reference  frames  in  which  Newton  𝑚 𝑉 𝑈
𝐹 1  
first  law  of  motion  holds  i.e.  an  𝑡
object  at  rest  and  an  object  in     
motion  remains  in  motion  unless  Using equations of motion 𝑣 𝑢 𝑎𝑡, 
𝑣 𝑢
acted  by  a  net  force.  An  inertial  𝑎  
𝑡
reference  frame  is  either  at  rest  or  Substitute 𝑎 in to the equation (1), 
moves with a constant velocity.   
Ex:  A  train  moving  with  constant  𝑭 𝒎𝒂 
velocity.   
  NOTE 
2. A non‐inertial reference frame;  According to the above equation, Newton’s 
Reference  frames,  that  is  second law can be expressed as below. 
accelerating,  either  in  linear  motion  “An external force acts on an object equals 
or rotating around some axis.  to the product of mass of the object and its 
Ex: A rotating merry‐go‐round  acceleration” 
  𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛  
 

Sanjaya Perera ~ 3 ~
B.Sc(Hons), Maths(Sp)  
 When  the  mass  is  constant,  force  acts  Equilibrium 
on  the  object  is  proportional  to  its 
If the size and direction of the forces acting 
acceleration. 
on  an  object  are  exactly  balanced,  then 
𝐹 ∝𝑎 
there  is  no net  force acting  on  the  object 
and  the  object  is  said  to  be  in equilibrium. 
 The  acceleration  of  a  moving  object 
Because  there  is  no  net  force  acting  on  an 
under  the  constant  force  is  inversely 
object  in  equilibrium,  then  from 
proportional to its mass.
1 Newton's first  law of  motion,  an  object  at 
𝑎∝   rest  will  stay  at  rest,  and  an  object  in 
𝑚
  motion will stay in motion. 
 SI units: kgms‐2, N 
 
Definition:  One newton is  the  force  needed  to 
accelerate  one  kilogram  of  mass  at  the  rate  of  Action and Reaction principle  
one meter per second squared in the direction of 
the applied force.  This  phenomena  is  based  on  the  Newton’s 
 Dimensions: MLT‐2  3rd law of motion.  
 Force is a vector quantity. 
  In every interaction, there is a pair of forces 
acting  on  the  two  interacting  objects.  The 
Weight  size  of  the  force  on  the  first 
object equals the  size  of  the  force  on  the 
The weight of  an  object  is  related  to  the 
second object. The direction of the force on 
amount of force acting on the object, either 
the  first  object  is opposite to  the  direction 
due  to gravity  that  holds  it  in  place.  All 
of  the  force  on  the  second  object. 
objects  upon  earth  experience  a  force  of 
Forces always come  in  pairs  ‐  equal  and 
gravity  that  is  directed  "downward" 
opposite action‐reaction force pairs. 
towards the center of the earth. 

𝑊 𝑚𝑔; 

𝑚 𝑚𝑎𝑠𝑠,  
𝑔 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑢𝑒 𝑡𝑜 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑦  
 
For  example,  an  object  with  a  mass  of  one 
kilogram has a weight of about 9.8N on the 
surface of the Earth, and about one‐sixth as 
much on the Moon.
 
   

Sanjaya Perera ~ 4 ~
B.Sc(Hons), Maths(Sp)  
Types of forces  with another stable object. For example, if a 
book  is  resting  upon  a  surface,  then  the 
Mainly, there are two types of forces; 
surface  is  exerting  an  upward  force upon 
1. Contact  forces‐  interactions  the book in order to support the weight of 
between objects that touch  the book.
(Applied  forces  (push/pull),  Normal 
force, frictional force, drag force) 
 
2. Non‐ contact forces‐ attract or repel, 
even from distance 
(Magnetic  force,  electric  force, 
gravitational force) 
 
 Tension (T):   
 
The  tension  force  is  the  force  that  is   Spring force: 
transmitted through a string, rope, cable or 
The  spring  force  is  the  force  exerted  by  a 
wire when it is pulled tight by forces acting 
compressed  or  stretched  spring  upon  any 
from  opposite  ends.  The  tension  force  is 
object that is attached to it. An object that 
directed  along  the  length  of  the  wire  and 
compresses  or  stretches  a  spring  is  always 
pulls equally on the objects on the opposite 
acted  upon  by  a  force  that  restores  the 
ends of the wire. 
object to its rest or equilibrium position.  

For most springs (specifically, for those that 
are  said  to  obey  "Hooke's  Law"),  the 
magnitude  of  the  force  is  directly 
T  T  proportional  to  the  amount  of  stretch  or 
compression of the spring. 

 
 
 Normal Reaction (R): 

The  normal  force  is  the  support  force 


exerted  upon  an  object  that  is  in  contact 
 

Sanjaya Perera ~ 5 ~
B.Sc(Hons), Maths(Sp)  
 Frictional force:  (c) If the elevator accelerates downward at 
a rate of 2 ms‐2 
Frictional  force  refers  to  the 
force generated  by  two  surfaces  that  (90kg, 75kg, 60kg) 
contacts  and  slide  against  each  other.   
These forces are  mainly  affected  by  the 
surface  texture  and  amount 
of force impelling them together.  

 
W=mg 
   

 Air resistance force:   

The  air  resistance  is  a  special  type  of  2) A 500kg motor car is on the frictionless 


frictional  force  that  acts  upon  objects  as  road. After switch on the engine, the car 
they travel through the air. The force of air  moves  on  straight  forward  under  the 
resistance  is  often  observed  to  oppose  the  100N  constant  force  generated  by  the 
motion of an object.  engine.  Find  the  acceleration  of  the  car 
and  the  displacement  and  final  velocity 
  after 60 second. (0.2ms‐2, 360m, 12ms‐1) 
 
Problem: 
3) A 500g hammer is on a stage. Height of 
1) A following figure shows, 75.0kg man is  the  stage  from  the  sand  floor  is  5m. 
standing  on  a  bathroom  scale  in  an  Incidentally,  the  hammer  falls  freely  on 
elevator. Calculate the scale reading:   the  sand  floor  and  it  travels  25cm  into 
the  floor.  Find  the  resistance  force 
(a) if the elevator accelerates upward at 
applied  by  the  floor  on  the  hammer. 
a rate of 2 ms‐2 
(105N)  
(b)  If  the  elevator  moves  upward  at  a   
constant speed of 1 ms‐1  4) Two masses 1kg and 3kg are attached to 
the both ends of a massless, non‐tensile 
string  going  through  a  frictionless 

Sanjaya Perera ~ 6 ~
B.Sc(Hons), Maths(Sp)  
pulley.  When  the  system  released  at 
rest, find the acceleration of the system 
and the tension of the  string. Also, find 
the applied force on the pulley. 
(5ms‐2, 15N, 30N) 
 
5) Two  masses  m1  and  m2  (>m1)  are 
attached to the both ends of a massless, 
non‐tensile  string  going  through  a 
frictionless  pulley.  When  the  system 
released at rest,  
a. Show  that  the  acceleration  of  the 
system is  𝑔.  
b. Show that the tension of the string is 

 
6)  

  

Sanjaya Perera ~ 7 ~
B.Sc(Hons), Maths(Sp)  

You might also like