Изчисляването на силата в широк спектър от ситуации е от решаващо значение за физиката. През повечето време вторият закон на Нютон (F = ma) е всичко, от което се нуждаете, но този основен подход не винаги е най-прекият начин за справяне с всеки проблем. Когато изчислявате сила за падащ обект, трябва да вземете предвид няколко допълнителни фактора, включително колко високо обектът пада и колко бързо спира. На практика най-простият метод за определяне на падащата сила на обекта е да използвате запазването на енергията като своя отправна точка.
Контекст: Запазването на енергията
Запазването на енергията е основно понятие във физиката. Енергията не се създава или унищожава, а просто се трансформира от една форма в друга. Когато използвате енергията от тялото си (и в крайна сметка храната, която сте яли), за да вземете топка от земята, вие прехвърляте тази енергия в гравитационна потенциална енергия; когато я освободите, същата тази енергия става кинетична (движеща се) енергия. Когато топката се удари в земята, енергията се освобождава като звук, а някои може също да накарат топката да отскочи обратно. Тази концепция е от решаващо значение, когато трябва да изчислите енергията и силата на падащия обект.
Енергията в точката на въздействие
Запазването на енергията улеснява изчисляването на колко кинетична енергия има обектът непосредствено преди точката на въздействие. Цялата енергия идва от гравитационния потенциал, който има преди да падне, така че формулата за гравитационната потенциална енергия ви дава цялата информация, от която се нуждаете. То е:
E = mgh
В уравнението m е масата на обекта, E е енергията, g е ускорението поради гравитационната константа (9,81 m s−2 или 9,81 метра в секунда на квадрат), а h е височината, от която пада обектът. Можете да го направите лесно за всеки обект, който падне, стига да знаете колко е голям и от колко високо пада.
Принципът на работа и енергия
Принципът работа-енергия е последното парче от пъзела, когато работите върху падащата сила на обекта. Този принцип гласи, че:
\ text {средна сила на удара} \ пъти \ text {изминато разстояние} = \ text {промяна в кинетичната енергия}
Този проблем се нуждае от средната сила на удара, така че пренареждането на уравнението дава:
\ text {средна сила на удара} = \ frac {\ text {промяна в кинетичната енергия}} {\ text {изминато разстояние}}
Изминатото разстояние е единствената оставаща информация и това е просто колко далеч изминава обектът, преди да спре. Ако проникне в земята, средната сила на удара е по-малка. Понякога това се нарича „разстоянието за забавяне на деформацията“ и можете да го използвате, когато обектът се деформира и спре, дори ако не проникне в земята.
Наричайки изминатото разстояние след удара d, и отбелязвайки, че промяната в кинетичната енергия е същата като гравитационната потенциална енергия, пълната формула може да бъде изразена като:
\ text {средна сила на удара} = \ frac {mgh} {d}
Попълване на изчислението
Най-трудното за изчисляване, когато изчислявате падащите сили на обекта, е изминатото разстояние. Можете да прецените, че това ще ви даде отговор, но има някои ситуации, при които можете да съберете по-твърда фигура. Ако обектът се деформира при удар - парче плод, което се разбива, когато се удари в земята, например - дължината на частта от обекта, който се деформира, може да се използва като разстояние.
Падащ автомобил е друг пример, защото отпред се мачка от удара. Ако приемем, че се смачква на 50 сантиметра, което е 0,5 метра, масата на колата е 2000 кг, и той е изпуснат от височина 10 метра, следният пример показва как да завършите изчисление. Като си спомните, че средната сила на удара = mgh ÷ d, поставяте примерните фигури на място:
\ text {средна сила на удара} = \ frac {2000 \ text {kg} \ пъти 9,81 \ text {m / s} ^ 2 \ по 10 \ text {m}} {0,5 \ text {m}} = 392,400 \ text {N} = 392,4 \ текст {kN}
Където N е символът за нютон (единица сила), а kN означава кило-нютона или хиляди нютона.
Съвети
-
Подскачащи обекти
Разработването на силата на удара, когато обектът отскочи след това, е много по-трудно. Силата е равна на скоростта на промяна на импулса, така че за да направите това, трябва да знаете импулса на обекта преди и след отскока. Чрез изчисляване на промяната в импулса между падането и отскока и разделяне на резултата на времето между тези две точки, можете да получите оценка за силата на удара.
