Výpočet síly v různých situacích je pro fyziku zásadní. Většinou je vše, co potřebujete, Newtonův druhý zákon (F = ma), ale tento základní přístup není vždy tím nejpřímějším způsobem, jak vyřešit každý problém. Při výpočtu síly na padající objekt je třeba vzít v úvahu několik dalších faktorů, včetně toho, jak vysoko předmět padá a jak rychle se zastaví. V praxi je nejjednodušší metodou pro určení síly padajícího objektu použít zachování energie jako výchozí bod.
Pozadí: Úspora energie
Zachování energie je základním pojmem ve fyzice. Energie není vytvořena nebo zničena, pouze transformována z jedné formy do jiné. Když použijete energii ze svého těla (a nakonec jídlo, které jste snědli), abyste zvedli míč ze země, přenášíte tuto energii na gravitační potenciální energii; když ji uvolníte, stejná energie se stane energií kinetickou (pohybující se). Když míč dopadne na zem, energie se uvolní jako zvuk a některé mohou také způsobit, že se míč odrazí zpět. Tento koncept je zásadní, když potřebujete vypočítat energii a sílu padajícího objektu.
Energie v bodě nárazu
Díky zachování energie lze snadno zjistit, kolik kinetické energie má objekt těsně před bodem nárazu. Energie pochází z gravitačního potenciálu, který má před pádem, takže vzorec gravitační potenciální energie vám poskytne všechny informace, které potřebujete. To je:
E = mgh
V rovnici, m je hmotnost objektu, E je energie, g je zrychlení v důsledku gravitační konstanty (9,81 m s−2 nebo 9,81 metrů za sekundu na druhou) a h je výška, ze které předmět spadne. Můžete to snadno vyřešit pro jakýkoli předmět, který spadne, pokud víte, jak velký je a jak vysoký spadne.
Princip práce a energie
Princip pracovní energie je poslední částí skládačky, když pracujete na síle padajícího předmětu. Tato zásada stanoví, že:
\ text {průměrná nárazová síla} \ krát \ text {ujetá vzdálenost} = \ text {změna kinetické energie}
Tento problém vyžaduje průměrnou nárazovou sílu, takže přeskupení rovnice dává:
\ text {průměrná nárazová síla} = \ frac {\ text {změna kinetické energie}} {\ text {ujetá vzdálenost}}
Ujetá vzdálenost je jedinou zbývající informací, a to je jednoduše to, jak daleko objekt urazí, než se zastaví. Pokud pronikne do země, je průměrná nárazová síla menší. Někdy se tomu říká „vzdálenost zpomalující deformaci“, a můžete ji použít, když se objekt deformuje a zastaví se, i když nepronikne do země.
Voláním ujeté vzdálenosti po nárazu d a konstatováním, že změna kinetické energie je stejná jako gravitační potenciální energie, lze celý vzorec vyjádřit jako:
\ text {průměrná síla nárazu} = \ frac {mgh} {d}
Dokončení výpočtu
Nejtěžší částí při výpočtu sil padajícího objektu je ujetá vzdálenost. Můžete to odhadnout, abyste přišli s odpovědí, ale existují situace, kdy můžete sestavit pevnější postavu. Pokud se předmět při nárazu deformuje - například kousek ovoce, který se rozbije při dopadu na zem - lze jako vzdálenost použít délku části předmětu, který se deformuje.
Padající auto je dalším příkladem, protože se přední část od nárazu zhroutí. Za předpokladu, že se rozpadne na 50 centimetrů, což je 0,5 metru, je hmotnost vozu 2 000 kg, a spadne z výšky 10 metrů, následující příklad ukazuje, jak dokončit výpočet. Pamatujte, že průměrná nárazová síla = mgh ÷ d, umístíte příkladné obrázky na místo:
\ text {průměrná síla nárazu} = \ frac {2000 \ text {kg} \ krát 9,81 \ text {m / s} ^ 2 \ krát 10 \ text {m}} {0,5 \ text {m}} = 392 400 \ text {N} = 392,4 \ text {kN}
Kde N je symbol pro Newton (jednotka síly) a kN znamená kilo-Newton nebo tisíce Newtonů.
Tipy
-
Skákající objekty
Vypracovat sílu nárazu, když se objekt později odrazí, je mnohem obtížnější. Síla se rovná rychlosti změny hybnosti, takže k tomu potřebujete znát hybnost objektu před a po odrazu. Vypočítáním změny hybnosti mezi pádem a odrazem a vydělením výsledku časem mezi těmito dvěma body můžete získat odhad nárazové síly.