Cómo calcular la fuerza de un objeto que cae

Calcular la fuerza en una amplia gama de situaciones es crucial para la física. La mayoría de las veces, la segunda ley de Newton (F = ma) es todo lo que necesita, pero este enfoque básico no siempre es la forma más directa de abordar todos los problemas. Cuando calcula la fuerza para un objeto que cae, hay algunos factores adicionales a considerar, incluyendo qué tan alto está cayendo el objeto y qué tan rápido se detiene. En la práctica, el método más simple para determinar la fuerza del objeto que cae es usar la conservación de energía como punto de partida.

La conservación de la energía es un concepto fundamental en física. La energía no se crea ni se destruye, simplemente se transforma de una forma a otra. Cuando usa la energía de su cuerpo (y en última instancia la comida que ha ingerido) para levantar una pelota del suelo, está transfiriendo esa energía en energía potencial gravitacional; cuando lo sueltas, esa misma energía se convierte en energía cinética (en movimiento). Cuando la pelota golpea el suelo, la energía se libera en forma de sonido y algunos también pueden hacer que la pelota rebote hacia arriba. Este concepto es crucial cuando necesita calcular la energía y la fuerza de un objeto que cae.

La conservación de energía facilita el cálculo de cuánta energía cinética tiene un objeto justo antes del punto de impacto. Toda la energía proviene del potencial gravitacional que tiene antes de caer, por lo que la fórmula para la energía potencial gravitacional le brinda toda la información que necesita. Es:

En la ecuación, m es la masa del objeto, E es la energía, g es la aceleración debida a la constante de gravedad (9,81 m s⁻² o 9,81 metros por segundo al cuadrado), y h es la altura desde la que cae el objeto. Puede resolver esto fácilmente para cualquier objeto que caiga siempre que sepa qué tan grande es y qué altura tiene.

El principio de trabajo-energía es la última pieza del rompecabezas cuando estás calculando la fuerza del objeto que cae. Este principio establece que:

Este problema necesita la fuerza de impacto promedio, por lo que reorganizar la ecuación da:

La distancia recorrida es la única información restante, y esto es simplemente qué tan lejos viaja el objeto antes de detenerse. Si penetra en el suelo, la fuerza de impacto promedio es menor. A veces, esto se denomina "distancia de desaceleración de la deformación" y puede usar esto cuando el objeto se deforma y se detiene, incluso si no penetra en el suelo.

Llamando d la distancia recorrida después del impacto, y observando que el cambio en la energía cinética es el mismo que la energía potencial gravitacional, la fórmula completa se puede expresar como:

La parte más difícil de resolver cuando calcula las fuerzas de un objeto que cae es la distancia recorrida. Puede estimar esto para obtener una respuesta, pero hay algunas situaciones en las que puede armar una figura más firme. Si el objeto se deforma cuando impacta, por ejemplo, una fruta que se rompe al golpear el suelo, la longitud de la parte del objeto que se deforma puede usarse como distancia.

Un automóvil que se cae es otro ejemplo porque el frente se arruga por el impacto. Suponiendo que se arruga en 50 centímetros, que son 0,5 metros, la masa del automóvil es de 2000 kg, y se deja caer desde una altura de 10 metros, el siguiente ejemplo muestra cómo completar el cálculo. Recordando que la fuerza de impacto promedio = mgh ÷ d, coloque las figuras de ejemplo en su lugar:

Donde N es el símbolo de Newtons (la unidad de fuerza) y kN significa kilo-Newtons o miles de Newtons.

• ​Objetos que rebotan​

  Calcular la fuerza del impacto cuando el objeto rebota después es mucho más difícil. La fuerza es igual a la tasa de cambio de impulso, por lo que para hacer esto necesita conocer el impulso del objeto antes y después del rebote. Calculando el cambio en el impulso entre la caída y el rebote y dividiendo el resultado por la cantidad de tiempo entre estos dos puntos, puede obtener una estimación de la fuerza de impacto.