Fizikai yra labai svarbu apskaičiuoti jėgą įvairiausiose situacijose. Dažniausiai viskas, ko jums reikia, yra antrasis Niutono dėsnis (F = ma), tačiau šis pagrindinis požiūris ne visada yra tiesiausias būdas išspręsti kiekvieną problemą. Skaičiuojant krintančio objekto jėgą, reikia atsižvelgti į keletą papildomų veiksnių, įskaitant tai, nuo kokio aukščio objektas krenta ir kaip greitai jis sustoja. Praktiškai paprasčiausias būdas nustatyti krintančią objekto jėgą yra energijos taupymas kaip atspirties taškas.
Pagrindas: energijos taupymas
Energijos taupymas yra pagrindinė fizikos sąvoka. Energija nėra sukurta ar sunaikinta, tiesiog transformuojama iš vienos formos į kitą. Kai naudojate kūno energiją (ir galiausiai suvalgytą maistą), kad pakeltumėte kamuolį nuo žemės, jūs perkeliate šią energiją į gravitacinę potencialią energiją; kai ją atleidi, ta pati energija tampa kinetine (judančia) energija. Kai kamuolys atsitrenkia į žemę, energija išsiskiria kaip garsas, o dėl kai kurių kamuolys gali ir atšokti. Ši sąvoka yra labai svarbi, kai reikia apskaičiuoti krintančio objekto energiją ir jėgą.
Energija smūgio taške
Taupant energiją, lengva išsiaiškinti, kiek objektas turi kinetinės energijos prieš pat smūgio tašką. Visa energija atsirado iš gravitacinio potencialo, kurį ji turėjo prieš krisdama, todėl gravitacinio potencialo energijos formulė suteikia jums visą reikiamą informaciją. Tai yra:
E = mgh
Lygtyje m yra objekto masė, E yra energija, g yra pagreitis dėl sunkio konstantos (9,81 m s−2 arba 9,81 metro per sekundę kvadratu), o h yra aukštis, nuo kurio objektas nukrenta. Tai galite lengvai išspręsti bet kokiam kritusiam objektui, jei tik žinote, koks didelis ir nuo kokio aukščio jis nukrenta.
Darbo ir energijos principas
Darbo-energijos principas yra paskutinis galvosūkio gabalas, kai dirbate krintančio objekto jėgą. Šis principas teigia, kad:
\ text {vidutinė smūgio jėga} \ times \ text {nuvažiuotas atstumas} = \ text {kinetinės energijos pokytis}
Šiai problemai reikia vidutinės smūgio jėgos, todėl pertvarkius lygtį gaunama:
\ text {vidutinė smūgio jėga} = \ frac {\ text {kinetinės energijos pokytis}} {\ text {nuvažiuotas atstumas}}
Nuvažiuotas atstumas yra vienintelė likusi informacija, ir tai yra tiesiog tai, kiek objektas nuvažiuoja prieš sustodamas. Jei jis prasiskverbia į žemę, vidutinė smūgio jėga yra mažesnė. Kartais tai vadinama „sulėtėjusiu deformacijos atstumu“, ir jūs galite tai naudoti, kai objektas deformuojasi ir sustoja, net jei jis neprasiskverbia į žemę.
Vadindami nuvažiuotą atstumą po smūgio d ir atkreipdami dėmesį į tai, kad kinetinės energijos pokytis yra toks pat kaip ir gravitacijos potencialo energija, visą formulę galima išreikšti taip:
\ text {vidutinė smūgio jėga} = \ frac {mgh} {d}
Skaičiavimo užbaigimas
Sunkiausia išsiaiškinti, kai apskaičiuojate krentančias objekto jėgas, yra nuvažiuotas atstumas. Galite tai įvertinti, kad gautumėte atsakymą, tačiau yra keletas situacijų, kai galite sujungti tvirtesnę figūrą. Jei daiktas deformuojasi, kai daro smūgį - vaisiaus gabalas, kuris sutriuškina, kai atsitrenkia į žemę, pavyzdžiui, deformuojamo daikto dalies ilgis gali būti naudojamas kaip atstumas.
Krintantis automobilis yra dar vienas pavyzdys, nes priekis susitrenkia nuo smūgio. Darant prielaidą, kad jis susmulkėja 50 centimetrų, tai yra 0,5 metro, automobilio masė yra 2000 kg, ir jis numetamas iš 10 metrų aukščio, šiame pavyzdyje parodyta, kaip užpildyti skaičiavimas. Prisimindami, kad vidutinė smūgio jėga = mgh ÷ d, pateikite pavyzdžių skaičius:
\ text {average impact force} = \ frac {2000 \ text {kg} \ times 9.81 \ text {m / s} ^ 2 \ times 10 \ text {m}} {0.5 \ text {m}} = 392400 \ text {N} = 392,4 \ tekstas {kN}
Kur N yra Niutonų (jėgos vienetas) simbolis, o kN reiškia kilogramus Niutonų arba tūkstančius Niutonų.
Patarimai
-
Šokantys objektai
Išsiaiškinti smūgio jėgą, kai objektas atsimuša, yra daug sunkiau. Jėga lygi impulso pokyčio greičiui, todėl norint tai padaryti, reikia žinoti objekto impulsą prieš ir po atšokimo. Apskaičiavę impulso pokytį tarp kritimo ir smūgio ir padaliję rezultatą iš laiko tarp šių dviejų taškų, galite gauti smūgio jėgos įvertį.