落下する物体の力を計算する方法

さまざまな状況で力を計算することは、物理学にとって非常に重要です。 ほとんどの場合、必要なのはニュートンの第2法則（F = ma）だけですが、この基本的なアプローチがすべての問題に取り組むための最も直接的な方法であるとは限りません。 落下するオブジェクトの力を計算するときは、オブジェクトが落下する高さや停止するまでの時間など、考慮すべき追加の要素がいくつかあります。 実際には、落下する物体の力を決定する最も簡単な方法は、エネルギー保存の法則を出発点として使用することです。

エネルギー保存は物理学の基本的な概念です。 エネルギーは生成も破壊もされません。ある形式から別の形式に変換されるだけです。 体からのエネルギー（そして最終的には食べた食べ物）を使って地面からボールを​​拾うと、そのエネルギーが重力ポテンシャルエネルギーに変換されます。 あなたがそれを解放すると、その同じエネルギーが運動（移動）エネルギーになります。 ボールが地面に当たると、エネルギーが音として放出され、ボールが跳ね返る原因となるものもあります。 この概念は、落下する物体のエネルギーと力を計算する必要がある場合に重要です。

エネルギー保存の法則により、衝突点の直前でオブジェクトが持つ運動エネルギーの量を簡単に計算できます。 エネルギーはすべて、落下する前の重力ポテンシャルから発生しているため、重力ポテンシャルエネルギーの式から、必要なすべての情報が得られます。 それは：

この式で、mは物体の質量、Eはエネルギー、gは重力定数（9.81 m s）による加速度です。⁻² または9.81メートル/秒の2乗）、hはオブジェクトが落下する高さです。 落下するオブジェクトの大きさと高さがわかっている限り、落下するオブジェクトに対してこれを簡単に解決できます。

仕事エネルギー定理は、落下する物体の力を計算するときのパズルの最後のピースです。 この原則は次のように述べています。

この問題には平均的な衝突力が必要なので、方程式を並べ替えると次のようになります。

残りの情報は移動距離だけです。これは、オブジェクトが停止するまでの移動距離です。 地面に突き刺さると、平均衝突力は小さくなります。 これは「変形減速距離」と呼ばれることもあり、地面に浸透していなくても、オブジェクトが変形して停止したときに使用できます。

衝撃後の移動距離をdと呼び、運動エネルギーの変化が重力ポテンシャルエネルギーと同じであることに注意すると、完全な式は次のように表すことができます。

落下する物体の力を計算するときに計算するのが最も難しい部分は、移動距離です。 これは答えを出すために見積もることができますが、よりしっかりした数字をまとめることができる状況もあります。 オブジェクトが衝撃を与えたときに変形する場合（たとえば、地面にぶつかると砕ける果物）、変形するオブジェクトの部分の長さを距離として使用できます。

フロントが衝撃でしわくちゃになるので、落下する車は別の例です。 50センチ、つまり0.5メートルでしわくちゃになるとすると、車の質量は2,000kgになります。 そしてそれは10メートルの高さから落とされます、次の例は完了する方法を示しています 計算。 平均衝突力= mgh÷dであることを思い出して、例の図を配置します。

ここで、Nはニュートン（力の単位）の記号であり、kNはキロニュートンまたは数千ニュートンを意味します。

• ​跳ねるオブジェクト​

  オブジェクトが後で跳ね返るときの衝撃力を計算することは、はるかに困難です。 力は運動量の変化率に等しいので、これを行うには、バウンスの前後のオブジェクトの運動量を知る必要があります。 落下と跳ね返りの間の運動量の変化を計算し、その結果をこれら2つのポイント間の時間で割ることにより、衝撃力の推定値を得ることができます。