Az erő kiszámítása számos helyzetben döntő fontosságú a fizika számára. Legtöbbször Newton második törvénye (F = ma) szükséges, de ez az alapvető megközelítés nem mindig a legközvetlenebb módja minden probléma kezelésének. Amikor egy zuhanó tárgy erejét számítja ki, figyelembe kell venni néhány további tényezőt, többek között azt, hogy milyen magasan esik le a tárgy, és milyen gyorsan áll meg. A gyakorlatban a leeső tárgyerő meghatározásának legegyszerűbb módszere az energia megtakarításának használata kiindulópontként.
Háttér: Az energiatakarékosság
Az energia megőrzése a fizika egyik alapvető fogalma. Az energia nem jön létre vagy semmisül meg, csak átalakul egyik formából a másikba. Amikor a tested energiáját (és végső soron az elfogyasztott ételt) felhasználod egy labda felvételéhez a földről, akkor ezt az energiát gravitációs potenciális energiává helyezed át; amikor elengedi, ugyanaz az energia kinetikus (mozgó) energiává válik. Amikor a labda a földre csap, az energia hangként felszabadul, és egyesek a labda visszapattanását is okozhatják. Ez a koncepció kulcsfontosságú, amikor ki kell számolni a hulló tárgy energiáját és erejét.
Az energia az ütközési ponton
Az energiatakarékosság megkönnyíti annak megállapítását, hogy egy tárgynak mekkora mozgási energiája van közvetlenül az ütközési pont előtt. Az energia mind abból a gravitációs potenciálból származik, amellyel a zuhanás előtt rendelkezett, ezért a gravitációs potenciál energiájának képlete minden szükséges információt megad Önnek. Ez:
E = mgh
Az egyenletben m a tárgy tömege, E az energia, g a gravitációs állandó miatti gyorsulás (9,81 m s−2 vagy 9,81 méter másodpercenként négyzetben), és h az objektum leesési magassága. Könnyedén megoldhatja ezt minden olyan tárgy esetében, amely leesik, amíg tudja, mekkora és milyen magasról esik le.
A munka-energia elv
A munka-energia elv a puzzle utolsó darabja, amikor kidolgozod a leeső tárgyerőt. Ez az elv kimondja, hogy:
\ text {átlagos ütési erő} \ szor \ text {megtett távolság} = \ text {változás a kinetikus energiában}
Ehhez a problémához átlagos ütőerőre van szükség, ezért az egyenlet átrendezése a következőket adja:
\ text {átlagos ütési erő} = \ frac {\ text {a kinetikus energia változása}} {\ text {megtett távolság}}
A megtett távolság az egyetlen megmaradt információ, és egyszerűen ez az, hogy a tárgy milyen messzire utazik, mielőtt megálláshoz jutna. Ha behatol a talajba, az átlagos ütőerő kisebb. Néha ezt „deformációs lassulási távolságnak” nevezik, és ezt akkor is használhatja, amikor az objektum deformálódik és megáll, még akkor is, ha nem hatol be a talajba.
A d ütés után megtett távolságnak nevezve, és megjegyezve, hogy a kinetikus energia változása megegyezik a gravitációs potenciál energiájával, a teljes képlet a következőképpen fejezhető ki:
\ text {átlagos ütési erő} = \ frac {mgh} {d}
A számítás befejezése
A legnehezebb dolgozni, ha kiszámítja az eső tárgyerőket, a megtett távolság. Becsülheti, hogy választ ad, de vannak olyan helyzetek, amikor szilárdabb alakot állíthat össze. Ha a tárgy deformálódik, amikor ütközik - például egy gyümölcsdarab, amely összetörik, amikor ütközik a földre -, a tárgy deformálódó részének hossza használható távolságként.
A leeső autó egy másik példa, mert az elülső rész összeomlik az ütközéstől. Feltéve, hogy 50 centiméteres, azaz 0,5 méteres gyűrődést okoz, az autó tömege 2000 kg, és 10 méter magasból ejtik el, a következő példa bemutatja, hogyan kell kitölteni számítás. Emlékeztetve arra, hogy az átlagos ütközési erő = mgh ÷ d, a helyére tette a példaszámokat:
\ text {átlagos ütési erő} = \ frac {2000 \ text {kg} \ 9,81 alkalommal \ text {m / s} ^ 2 \ szor 10 \ text {m}} {0,5 \ text {m}} = 392 400 \ text {N} = 392,4 \ szöveg {kN}
Ahol N a newtonok szimbóluma (az erő mértékegysége), a kN pedig kilo-newtonokat vagy ezer newton értéket jelent.
Tippek
-
Pattogó tárgyak
Az ütközési erő kidolgozása, amikor a tárgy utána pattan, sokkal nehezebb. Az erő megegyezik a lendület változásának sebességével, ezért ehhez ismernie kell a tárgy lendületét a visszapattanás előtt és után. Ha kiszámítja az esés és a visszapattanás közötti lendület változását, és elosztja az eredményt a két pont közötti idővel, becslést kaphat az ütőerőre vonatkozóan.