Durante un impatto, l'energia di un oggetto in movimento viene convertita in lavoro e la forza svolge un ruolo importante. Per creare un'equazione per la forza di qualsiasi impatto, puoi impostare le equazioni per l'energia e il lavoro uguali tra loro e risolvere per la forza. Da lì, calcolare la forza di un impatto è relativamente facile.
TL; DR (troppo lungo; non ho letto)
Per calcolare la forza dell'impatto, dividere l'energia cinetica per la distanza.
Impatto ed energia
L'energia è definita come la capacità di fare lavoro. Durante un impatto, l'energia di un oggetto viene convertita in lavoro. L'energia di un oggetto in movimento è chiamata energia cinetica ed è pari a metà della massa dell'oggetto per il quadrato della sua velocità:
KE=\frac{1]{2}mv^2
Quando si pensa alla forza d'impatto di un oggetto che cade, è possibile calcolare l'energia dell'oggetto nel punto di impatto se si conosce l'altezza da cui è stato fatto cadere. Questo tipo di energia è nota come energia potenziale gravitazionale ed è uguale alla massa dell'oggetto moltiplicata per l'altezza da cui è stato fatto cadere e l'accelerazione di gravità:
PE=mg
Impatto e lavoro
Il lavoro si verifica quando viene applicata una forza per spostare un oggetto di una certa distanza. Pertanto, il lavoro è uguale alla forza moltiplicata per la distanza:
W=Fd
Poiché la forza è una componente del lavoro e un impatto è la conversione dell'energia in lavoro, puoi usare le equazioni per energia e lavoro per risolvere la forza di un impatto. La distanza percorsa quando il lavoro è compiuto da un impatto è chiamata distanza di arresto. È la distanza percorsa dall'oggetto in movimento dopo che si è verificato l'impatto.
Impatto da un oggetto che cade
Supponiamo di voler conoscere la forza d'impatto di una roccia con una massa di un chilogrammo che cade da un'altezza di due metri e si incastra a due centimetri di profondità all'interno di un giocattolo di plastica. Il primo passo è impostare le equazioni per l'energia potenziale gravitazionale e il lavoro uguali tra loro e risolvere per la forza.
W=PE=Fd=mgh \implies F=\frac{mgh}{d}
Il secondo e ultimo passaggio consiste nell'inserire i valori del problema nell'equazione della forza. Ricorda di usare metri, non centimetri, per tutte le distanze. La distanza di arresto di due centimetri deve essere espressa in due centesimi di metro. Inoltre, l'accelerazione di gravità sulla Terra è sempre di 9,8 metri al secondo al secondo. La forza di impatto della roccia sarà:
F=\frac{(1)(9.8)(2)}{0.02}=980\text{N}
Impatto da un oggetto che si muove orizzontalmente
Supponiamo ora di voler conoscere la forza d'impatto di un'auto da 2.200 chilogrammi che viaggia a 20 metri al secondo e si schianta contro un muro durante un test di sicurezza. La distanza di arresto in questo esempio è la zona di deformazione dell'auto, o la distanza di cui l'auto si accorcia all'impatto. Supponiamo che l'auto sia schiacciata abbastanza da essere tre quarti di metro più corta di quanto non fosse prima dell'impatto. Ancora una volta, il primo passo è impostare le equazioni per l'energia - questa volta energia cinetica - e lavorare uguali tra loro e risolvere per la forza.
W=KE=Fd=\frac{1}{2}mv^2 \implies F = \frac{1/2 mv^2}{d}
Il passaggio finale consiste nell'inserire i valori del problema nell'equazione per la forza:
F = \frac{1/2 (2.200)(20)^2}{0.75}=586,667 \text{ N}