Voiman laskeminen monissa tilanteissa on fysiikan kannalta ratkaisevaa. Suurimman osan ajasta Newtonin toinen laki (F = ma) on kaikki mitä tarvitset, mutta tämä perustapa ei ole aina suorin tapa ratkaista kaikkia ongelmia. Kun lasket putoavan kohteen voimaa, on otettava huomioon muutama ylimääräinen tekijä, mukaan lukien kuinka korkea esine putoaa ja kuinka nopeasti se pysähtyy. Käytännössä yksinkertaisin menetelmä putoavan objektivoiman määrittämiseksi on käyttää energiansäästöä lähtökohtana.
Tausta: Energian säästö
Energian säästäminen on fysiikan peruskäsite. Energiaa ei luoda tai tuhota, vaan se muuttuu muodosta toiseen. Kun käytät kehosi energiaa (ja viime kädessä syömääsi ruokaa) pallon poimimiseksi maasta, siirrät sitä energiaa painovoiman potentiaalienergiaksi; kun vapautat sen, samasta energiasta tulee liike- (liikkuva) energia. Kun pallo osuu maahan, energia vapautuu äänenä, ja jotkut saattavat myös aiheuttaa pallon palautumisen. Tämä käsite on ratkaiseva, kun joudut laskemaan putoavan kohteen energian ja voiman.
Energia vaikutuspisteessä
Energian säästämisen avulla on helppo selvittää, kuinka paljon kineettistä energiaa esineellä on juuri ennen iskupistettä. Energia on kaikki peräisin painovoimapotentiaalista, joka sillä on ennen putoamista, joten painovoimapotentiaalien kaava antaa sinulle kaikki tarvitsemasi tiedot. Se on:
E = mgh
Yhtälössä m on kohteen massa, E on energia, g on painovoiman vakio (9,81 m s).−2 tai 9,81 metriä sekunnissa neliössä), ja h on korkeus, josta esine putoaa. Voit selvittää tämän helposti kaikille esineille, jotka putoavat, kunhan tiedät kuinka suuri se on ja kuinka korkealta se putoaa.
Työ-energia-periaate
Työ-energia-periaate on viimeinen palapelin pala, kun selvität putoavan esineen voimaa. Tämän periaatteen mukaan
\ text {keskimääräinen iskuvoima} \ kertaa \ text {kuljettu matka} = \ text {muutos kineettisessä energiassa}
Tämä ongelma tarvitsee keskimääräisen iskuvoiman, joten yhtälön järjestäminen uudelleen antaa:
\ text {keskimääräinen iskuvoima} = \ frac {\ text {muutos kineettisessä energiassa}} {\ text {kuljettu matka}}
Kuljettu matka on ainoa jäljellä oleva tieto, ja tämä on yksinkertaisesti se, kuinka pitkälle esine kulkee ennen pysähtymistä. Jos se tunkeutuu maahan, keskimääräinen iskuvoima on pienempi. Joskus tätä kutsutaan "muodonmuutoksen hidastamisen etäisyydeksi", ja voit käyttää tätä, kun esine epämuodostuu ja pysähtyy, vaikka se ei tunkeudu maahan.
Kutsuen törmäyksen d jälkeen kuljettua matkaa ja huomaten, että kineettisen energian muutos on sama kuin gravitaatiopotentiaalienergia, koko kaava voidaan ilmaista seuraavasti:
\ text {keskimääräinen iskuvoima} = \ frac {mgh} {d}
Laskennan loppuun saattaminen
Vaikeinta on työskennellä laskettaessa putoavia esineiden voimia. Voit arvioida tämän tuottavan vastauksen, mutta on tilanteita, joissa voit koota kiinteämmän kuvan. Jos esine deformoituu törmätessään - esimerkiksi hedelmää, joka murtuu, kun se osuu maahan, - muodonmuutoksen kohteena olevan osan pituutta voidaan käyttää etäisyytenä.
Putoava auto on toinen esimerkki, koska etu romahtaa törmäyksestä. Olettaen, että se murenee 50 senttimetrissä, mikä on 0,5 metriä, auton massa on 2000 kg, ja se pudotetaan 10 metrin korkeudesta, seuraava esimerkki osoittaa, kuinka laskeminen. Muistaen, että keskimääräinen iskuvoima = mgh ÷ d, asetit esimerkkiluvut paikoilleen:
\ text {keskimääräinen iskuvoima} = \ frac {2000 \ text {kg} \ kertaa 9.81 \ text {m / s} ^ 2 \ kertaa 10 \ text {m}} {0.5 \ text {m}} = 392400 \ text {N} = 392,4 \ teksti {kN}
Missä N on Newtonin (voimayksikkö) symboli ja kN tarkoittaa kilo-Newtonia tai tuhansia Newtonia.
Vinkkejä
-
Hyppäävät esineet
Iskuvoiman selvittäminen, kun esine hyppää jälkeenpäin, on paljon vaikeampi. Voima on yhtä suuri kuin impulssin muutosnopeus, joten sinun on tiedettävä objektin liikemäärä ennen palautumista ja sen jälkeen. Laskemalla putoamisen ja palautumisen välinen vauhdin muutos ja jakamalla tulos näiden kahden pisteen välisellä ajanjaksolla saat arvion iskuvoimasta.