Le calcul de la force dans un large éventail de situations est crucial pour la physique. La plupart du temps, la deuxième loi de Newton (F = ma) est tout ce dont vous avez besoin, mais cette approche de base n'est pas toujours le moyen le plus direct de résoudre tous les problèmes. Lorsque vous calculez la force d'un objet qui tombe, vous devez prendre en compte quelques facteurs supplémentaires, notamment la hauteur de chute de l'objet et la vitesse à laquelle il s'arrête. En pratique, la méthode la plus simple pour déterminer la force de chute d'un objet consiste à utiliser la conservation de l'énergie comme point de départ.
Contexte: La conservation de l'énergie
La conservation de l'énergie est un concept fondamental en physique. L'énergie n'est pas créée ou détruite, juste transformée d'une forme à une autre. Lorsque vous utilisez l'énergie de votre corps (et finalement la nourriture que vous avez mangée) pour ramasser une balle au sol, vous transférez cette énergie en énergie potentielle gravitationnelle; lorsque vous le relâchez, cette même énergie devient de l'énergie cinétique (en mouvement). Lorsque la balle touche le sol, l'énergie est libérée sous forme de son, et certains peuvent également faire rebondir la balle. Ce concept est crucial lorsque vous devez calculer l'énergie et la force d'un objet tombant.
L'énergie au point d'impact
La conservation de l'énergie permet de déterminer facilement la quantité d'énergie cinétique d'un objet juste avant le point d'impact. L'énergie provient entièrement du potentiel gravitationnel qu'elle possédait avant de tomber, donc la formule de l'énergie potentielle gravitationnelle vous donne toutes les informations dont vous avez besoin. Il est:
E = mgh
Dans l'équation, m est la masse de l'objet, E est l'énergie, g est l'accélération due à la constante de gravité (9,81 m s−2 ou 9,81 mètres par seconde au carré), et h est la hauteur d'où tombe l'objet. Vous pouvez calculer cela facilement pour n'importe quel objet qui tombe tant que vous savez de quelle taille il est et de quelle hauteur il tombe.
Le principe travail-énergie
Le principe travail-énergie est la dernière pièce du puzzle lorsque vous travaillez sur la force de l'objet qui tombe. Ce principe stipule que :
\text{force d'impact moyenne}\times \text{ distance parcourue} = \text{ variation de l'énergie cinétique}
Ce problème a besoin de la force d'impact moyenne, donc la réorganisation de l'équation donne :
\text{force d'impact moyenne} = \frac{\text{changement d'énergie cinétique}}{\text{distance parcourue}}
La distance parcourue est la seule information restante, et c'est simplement la distance parcourue par l'objet avant de s'arrêter. S'il pénètre dans le sol, la force d'impact moyenne est plus faible. Parfois, cela s'appelle la «distance de ralentissement de la déformation», et vous pouvez l'utiliser lorsque l'objet se déforme et s'arrête, même s'il ne pénètre pas dans le sol.
En appelant la distance parcourue après l'impact d, et en notant que le changement d'énergie cinétique est le même que l'énergie potentielle gravitationnelle, la formule complète peut être exprimée comme suit :
\text{force d'impact moyenne}=\frac{mgh}{d}
Terminer le calcul
La partie la plus difficile à déterminer lorsque vous calculez les forces de chute d'un objet est la distance parcourue. Vous pouvez estimer cela pour trouver une réponse, mais il existe des situations où vous pouvez établir un chiffre plus ferme. Si l'objet se déforme lors de l'impact – un fruit qui se brise en heurtant le sol, par exemple – la longueur de la partie de l'objet qui se déforme peut être utilisée comme distance.
Une voiture en chute est un autre exemple parce que l'avant s'effondre sous l'impact. En supposant qu'elle se froisse en 50 centimètres, soit 0,5 mètre, la masse de la voiture est de 2 000 kg, et il est lâché d'une hauteur de 10 mètres, l'exemple suivant montre comment terminer le calcul. En vous rappelant que la force d'impact moyenne = mgh d, vous mettez en place les exemples de chiffres :
\text{force d'impact moyenne}=\frac{2000\text{ kg}\times 9,81\text{ m/s}^2\times 10\text{ m}}{0,5\text{ m}}=392,400\text { N} = 392,4\texte{ kN}
Où N est le symbole d'un Newtons (l'unité de force) et kN signifie kilo-Newtons ou milliers de Newtons.
Conseils
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Objets rebondissants
Déterminer la force d'impact lorsque l'objet rebondit par la suite est beaucoup plus difficile. La force est égale au taux de changement de quantité de mouvement, donc pour ce faire, vous devez connaître la quantité de mouvement de l'objet avant et après le rebond. En calculant le changement de quantité de mouvement entre la chute et le rebond et en divisant le résultat par le temps entre ces deux points, vous pouvez obtenir une estimation de la force d'impact.