Izračunavanje sile u širokom rasponu situacija presudno je za fiziku. Većinu vremena Newtonov drugi zakon (F = ma) je sve što vam treba, ali ovaj osnovni pristup nije uvijek najizravniji način rješavanja svakog problema. Pri izračunu sile za predmet koji pada, treba uzeti u obzir nekoliko dodatnih čimbenika, uključujući to s koje visine objekt pada i koliko se brzo zaustavlja. U praksi je najjednostavnija metoda za određivanje sile padajućeg predmeta korištenje očuvanja energije kao svoje početne točke.
Pozadina: Očuvanje energije
Očuvanje energije temeljni je pojam u fizici. Energija se ne stvara niti uništava, već se transformira iz jednog oblika u drugi. Kada koristite energiju svog tijela (i na kraju hranu koju ste pojeli) da pokupite loptu sa zemlje, tu energiju prebacujete u gravitacijsku potencijalnu energiju; kad je oslobodite, ta ista energija postaje kinetička (pokretna) energija. Kad lopta udari o tlo, energija se oslobađa kao zvuk, a neki mogu uzrokovati i odbijanje lopte natrag. Ovaj koncept je presudan kada trebate izračunati energiju i silu padajućeg objekta.
Energija u točki udara
Očuvanjem energije olakšava se utvrđivanje količine kinetičke energije koju objekt ima neposredno prije točke udara. Sva energija dolazi iz gravitacijskog potencijala koji je imala prije pada, tako da formula za gravitacijsku potencijalnu energiju daje sve potrebne informacije. To je:
E = mgh
U jednadžbi je m masa predmeta, E energija, g ubrzanje zbog gravitacijske konstante (9,81 m s−2 ili 9,81 metra u sekundi na kvadrat), a h je visina s koje objekt pada. To možete lako riješiti za bilo koji predmet koji padne sve dok znate koliko je velik i s koliko pada.
Princip rada i energije
Princip rada i energije zadnji je dio slagalice kada razrađujete silu padajućeg predmeta. Ovo načelo kaže da:
\ text {prosječna sila udara} \ puta \ text {prijeđena udaljenost} = \ text {promjena u kinetičkoj energiji}
Za ovaj problem potrebna je prosječna sila udara, pa preuređivanje jednadžbe daje:
\ text {prosječna sila udara} = \ frac {\ text {promjena u kinetičkoj energiji}} {\ text {prijeđena udaljenost}}
Pređena udaljenost jedini je preostali podatak i ovo je jednostavno koliko objekt prijeđe prije nego što se zaustavi. Ako prodre u tlo, prosječna sila udara je manja. Ponekad se to naziva "udaljenost usporavanja deformacije", a to možete koristiti kada se objekt deformira i zaustavi, čak i ako ne prodire u zemlju.
Nazivajući prijeđenu udaljenost nakon udara d, i napominjući da je promjena u kinetičkoj energiji jednaka gravitacijskoj potencijalnoj energiji, cjelovita formula može se izraziti kao:
\ text {prosječna sila udara} = \ frac {mgh} {d}
Dovršavanje izračuna
Najteži dio za izračunavanje proračuna sila pada predmeta je prijeđena udaljenost. Možete procijeniti da ćete doći do odgovora, ali postoje neke situacije u kojima možete sastaviti čvršću figuru. Ako se objekt deformira prilikom udara - primjerice, komad voća koji se razbije udarivši o tlo - duljina dijela predmeta koji se deformira može se koristiti kao udaljenost.
Automobil u padu je još jedan primjer jer se prednji dio zgužva od udara. Pod pretpostavkom da se zgužva u 50 centimetara, što je 0,5 metara, masa automobila je 2.000 kg, i pao je s visine od 10 metara, sljedeći primjer pokazuje kako dovršiti proračun. Sjećajući se da je prosječna sila udara = mgh ÷ d, postavili ste primjere brojki na mjesto:
\ text {prosječna sila udara} = \ frac {2000 \ text {kg} \ puta 9,81 \ text {m / s} ^ 2 \ puta 10 \ text {m}} {0,5 \ text {m}} = 392,400 \ text {N} = 392,4 \ tekst {kN}
Gdje je N simbol za Newtona (jedinica snage), a kN znači kilo-Newtona ili tisuće Newtona.
Savjeti
-
Predmeti koji odskaču
Izrada udarne sile kada se objekt nakon toga odbije znatno je teža. Sila je jednaka brzini promjene gibanja, pa da biste to učinili, morate znati zamah objekta prije i nakon odskoka. Izračunavanjem promjene impulsa između pada i odskoka i dijeljenjem rezultata s vremenom između ove dvije točke možete dobiti procjenu sile udara.