떨어지는 물체의 힘을 계산하는 방법

다양한 상황에서 힘을 계산하는 것은 물리학에 매우 중요합니다. 대부분의 경우 Newton의 제 2 법칙 (F = ma) 만 있으면됩니다. 그러나이 기본 접근 방식이 항상 모든 문제를 해결하는 가장 직접적인 방법은 아닙니다. 낙하하는 물체의 힘을 계산할 때 물체가 떨어지는 정도와 정지하는 속도 등 몇 가지 추가 요소를 고려해야합니다. 실제로 떨어지는 물체의 힘을 결정하는 가장 간단한 방법은 에너지 보존을 시작점으로 사용하는 것입니다.

에너지 보존은 물리학의 기본 개념입니다. 에너지는 생성되거나 파괴되지 않고 한 형태에서 다른 형태로 변형됩니다. 몸의 에너지 (그리고 궁극적으로 먹은 음식)를 땅에서 공을 집어 들면, 그 에너지를 중력 위치 에너지로 옮기는 것입니다. 당신이 그것을 놓으면 그 같은 에너지가 운동 (움직이는) 에너지가됩니다. 공이 땅에 닿으면 에너지가 소리로 방출되고 일부는 공이 다시 튀어 오를 수도 있습니다. 이 개념은 떨어지는 물체의 에너지와 힘을 계산해야 할 때 매우 중요합니다.

에너지 보존은 물체가 충돌 지점 직전에 얼마나 많은 운동 에너지를 가지고 있는지 쉽게 알아낼 수 있도록합니다. 에너지는 모두 떨어지기 전의 중력 잠재력에서 비롯되었으므로 중력 위치 에너지의 공식은 필요한 모든 정보를 제공합니다. 그것은:

방정식에서 m은 물체의 질량, E는 에너지, g는 중력 상수로 인한 가속도 (9.81 m s⁻² 또는 초당 9.81 미터), h는 물체가 떨어지는 높이입니다. 당신은 그것이 얼마나 큰지 그리고 얼마나 높은지 아는 한 떨어지는 모든 물체에 대해 이것을 쉽게 해결할 수 있습니다.

일 에너지 원리는 떨어지는 물체의 힘을 풀 때 퍼즐의 마지막 조각입니다. 이 원칙은 다음과 같이 말합니다.

이 문제에는 평균 충격력이 필요하므로 방정식을 다시 정렬하면 다음과 같은 결과가 나타납니다.

이동 한 거리는 정보의 유일한 나머지 부분이며 이는 단순히 물체가 정지하기 전에 이동하는 거리입니다. 지면에 침투하면 평균 충격력이 작아집니다. 때때로 이것을 "변형 감속 거리"라고하며, 오브젝트가지면으로 침투하지 않더라도 오브젝트가 변형되어 멈출 때 사용할 수 있습니다.

충돌 후 이동 한 거리 d를 호출하고 운동 에너지의 변화가 중력 위치 에너지와 동일하다는 점에 유의하면 완전한 공식은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

떨어지는 물체의 힘을 계산할 때 해결하기 가장 어려운 부분은 이동 거리입니다. 이것을 추정하여 답을 얻을 수 있지만 더 확고한 수치를 모을 수있는 상황이 있습니다. 물체가 충격을 가할 때 변형되는 경우 (예: 땅에 부딪 힐 때 부서지는 과일 조각) 변형되는 물체 부분의 길이를 거리로 사용할 수 있습니다.

충돌로 인해 앞이 구겨지기 때문에 떨어지는 자동차가 또 다른 예입니다. 0.5m 인 50cm로 구겨진다고 가정하면 차의 질량은 2,000kg이고 10 미터 높이에서 낙하하면 다음 예제는 완료하는 방법을 보여줍니다. 계산. 평균 충격력 = mgh ÷ d라는 것을 기억하고 예제 수치를 제자리에 둡니다.

여기서 N은 뉴턴 (힘의 단위)에 대한 기호이고 kN은 킬로 뉴턴 또는 수천 뉴턴을 의미합니다.

• ​튀는 개체​

  물체가 나중에 튀었을 때 충격력을 계산하는 것은 훨씬 더 어렵습니다. 힘은 운동량의 변화율과 같으므로 이렇게하려면 바운스 전후의 물체의 운동량을 알아야합니다. 추락과 바운스 사이의 운동량 변화를 계산하고 그 결과를이 두 지점 사이의 시간으로 나누면 충격력에 대한 추정치를 얻을 수 있습니다.