Lors d'un impact, l'énergie d'un objet en mouvement est convertie en travail, et la force joue un rôle important. Pour créer une équation pour la force de n'importe quel impact, vous pouvez définir les équations pour l'énergie et le travail égales les unes aux autres et résoudre pour la force. À partir de là, le calcul de la force d'un impact est relativement facile.
TL; DR (trop long; n'a pas lu)
Pour calculer la force d'impact, divisez l'énergie cinétique par la distance.
Impact et énergie
L'énergie est définie comme la capacité de faire un travail. Lors d'un impact, l'énergie d'un objet est convertie en travail. L'énergie d'un objet en mouvement est appelée énergie cinétique et est égale à la moitié de la masse de l'objet multipliée par le carré de sa vitesse :
KE=\frac{1]{2}mv^2
Lorsque vous pensez à la force d'impact d'un objet qui tombe, vous pouvez calculer l'énergie de l'objet à son point d'impact si vous connaissez la hauteur à laquelle il est tombé. Ce type d'énergie est connu sous le nom d'énergie potentielle gravitationnelle et il est égal à la masse de l'objet multipliée par la hauteur d'où il est tombé et l'accélération due à la gravité :
PE=mgh
Impact et travail
Le travail se produit lorsqu'une force est appliquée pour déplacer un objet sur une certaine distance. Par conséquent, le travail est égal à la force multipliée par la distance :
W=Fd
Étant donné que la force est une composante du travail et qu'un impact est la conversion d'énergie en travail, vous pouvez utiliser les équations de l'énergie et du travail pour résoudre la force d'un impact. La distance parcourue lorsque le travail est accompli par un impact est appelée distance d'arrêt. C'est la distance parcourue par l'objet en mouvement après l'impact.
Impact d'un objet tombant
Supposons que vous vouliez connaître la force d'impact d'un rocher d'une masse d'un kilogramme qui tombe d'une hauteur de deux mètres et s'enfonce à deux centimètres de profondeur à l'intérieur d'un jouet en plastique. La première étape consiste à définir les équations de l'énergie potentielle gravitationnelle et à travailler de manière égale et à résoudre la force.
W=PE=Fd=mgh \implique F=\frac{mgh}{d}
La deuxième et dernière étape consiste à intégrer les valeurs du problème dans l'équation de la force. N'oubliez pas d'utiliser des mètres, et non des centimètres, pour toutes les distances. La distance d'arrêt de deux centimètres doit être exprimée en deux centièmes de mètre. De plus, l'accélération due à la gravité sur Terre est toujours de 9,8 mètres par seconde par seconde. La force d'impact de la roche sera :
F=\frac{(1)(9.8)(2)}{0.02}=980\text{ N}
Impact d'un objet se déplaçant horizontalement
Supposons maintenant que vous vouliez connaître la force d'impact d'une voiture de 2 200 kilogrammes roulant à 20 mètres par seconde qui s'écrase contre un mur lors d'un test de sécurité. La distance d'arrêt dans cet exemple est la zone de déformation de la voiture, ou la distance dont la voiture se raccourcit lors de l'impact. Supposons que la voiture soit suffisamment écrasée pour être trois quarts de mètre plus courte qu'elle ne l'était avant l'impact. Encore une fois, la première étape consiste à définir les équations pour l'énergie - cette fois l'énergie cinétique - et à travailler de manière égale et à résoudre pour la force.
W=KE=Fd=\frac{1}{2}mv^2 \implique F = \frac{1/2 mv^2}{d}
La dernière étape consiste à brancher les valeurs du problème dans l'équation de la force :
F = \frac{1/2 (2 200)(20)^2}{0,75}=586 667 \text{ N}