Spēka aprēķināšana dažādās situācijās ir izšķiroša fizikai. Lielāko daļu laika viss nepieciešamais ir Ņūtona otrais likums (F = ma), taču šī pamata pieeja ne vienmēr ir vistiešākais veids, kā risināt visas problēmas. Aprēķinot spēku krītošam objektam, jāņem vērā daži papildu faktori, tostarp tas, cik augstu objekts nokrīt un cik ātri tas apstājas. Praksē vienkāršākā metode krītošā objekta spēka noteikšanai ir enerģijas saglabāšana kā sākumpunkts.
Priekšvēsture: Enerģijas saglabāšana
Enerģijas saglabāšana ir pamatjēdziens fizikā. Enerģija netiek radīta vai iznīcināta, tikai pārveidota no vienas formas citā. Kad jūs izmantojat ķermeņa enerģiju (un galu galā arī ēdienu, ko esat apēdis), lai paņemtu bumbu no zemes, jūs šo enerģiju pārnest gravitācijas potenciālajā enerģijā; kad jūs to atbrīvojat, tā pati enerģija kļūst par kinētisko (kustīgo) enerģiju. Kad bumba triecas pret zemi, enerģija tiek atbrīvota kā skaņa, un daži var arī izraisīt bumbas atsitienu uz augšu. Šī koncepcija ir izšķiroša, ja jums jāaprēķina krītošā objekta enerģija un spēks.
Enerģija trieciena punktā
Enerģijas saglabāšana ļauj viegli noteikt, cik daudz kinētiskās enerģijas objektam ir tieši pirms trieciena punkta. Enerģija ir radusies no gravitācijas potenciāla, kāds tam ir pirms krišanas, tāpēc gravitācijas potenciāla enerģijas formula sniedz jums visu nepieciešamo informāciju. Tas ir:
E = mgh
Vienādojumā m ir objekta masa, E ir enerģija, g ir paātrinājums smaguma konstantes dēļ (9,81 m s−2 jeb 9,81 metrs sekundē kvadrātā), un h ir augstums, no kura objekts nokrīt. Jūs to varat viegli izstrādāt jebkuram priekšmetam, kas nokrīt, ja vien jūs zināt, cik liels tas ir un cik augsts tas nokrīt.
Darba un enerģijas princips
Darba enerģijas princips ir pēdējais puzles gabals, kad tiek izstrādāts krītošā priekšmeta spēks. Šis princips nosaka, ka:
\ text {vidējais trieciena spēks} \ reizes \ text {nobrauktais attālums} = \ text {kinētiskās enerģijas izmaiņas}
Šai problēmai nepieciešams vidējais trieciena spēks, tāpēc, pārkārtojot vienādojumu, iegūst:
\ text {average impact force} = \ frac {\ text {kinētiskās enerģijas izmaiņas}} {\ text {nobrauktais attālums}}
Nobrauktais attālums ir vienīgā atlikusī informācija, un tas ir vienkārši tas, cik tālu objekts nobrauc, pirms apstājas. Ja tas iekļūst zemē, vidējais trieciena spēks ir mazāks. Dažreiz to sauc par “deformācijas palēnināšanas attālumu”, un to varat izmantot, kad objekts deformējas un apstājas, pat ja tas neiekļūst zemē.
Saucot nobraukto attālumu pēc trieciena d un atzīmējot, ka kinētiskās enerģijas izmaiņas ir vienādas ar gravitācijas potenciālo enerģiju, pilnīgu formulu var izteikt šādi:
\ text {vidējais trieciena spēks} = \ frac {mgh} {d}
Aprēķina pabeigšana
Aprēķinot krītošos objekta spēkus, visgrūtāk ir nobraukt attālumu. Jūs varat to novērtēt, lai sniegtu atbildi, taču ir dažas situācijas, kurās varat salikt stingrāku figūru. Ja objekts deformējas, izdarot triecienu - piemēram, augļa gabals, kas sasit, kad tas ietriecas zemē, kā attālumu var izmantot deformējamās objekta daļas garumu.
Krītoša automašīna ir vēl viens piemērs, jo priekšējā daļa sabrūk no trieciena. Pieņemot, ka tas sabrūk 50 centimetros, kas ir 0,5 metri, automašīnas masa ir 2000 kg, un tas tiek nomests no 10 metru augstuma, šajā piemērā parādīts, kā pabeigt aprēķins. Atceroties, ka vidējais trieciena spēks = mgh ÷ d, jūs ievietojat piemērus:
\ text {average impact force} = \ frac {2000 \ text {kg} \ times 9.81 \ text {m / s} ^ 2 \ times 10 \ text {m}} {0.5 \ text {m}} = 392 400 \ text {N} = 392,4 \ teksts {kN}
Kur N ir ņūtonu simbols (spēka vienība), un kN ir kilogramu ņūtonu vai tūkstošiem ņūtonu.
Padomi
-
Atlecoši objekti
Trieciena spēka noteikšana, kad objekts pēc tam atlec, ir daudz grūtāk. Spēks ir vienāds ar impulsa maiņas ātrumu, tāpēc, lai to izdarītu, jums jāzina objekta impulss pirms un pēc atlēciena. Aprēķinot impulsa izmaiņas starp kritienu un atlēcienu un rezultātu dalot ar laika daudzumu starp šiem diviem punktiem, jūs varat iegūt trieciena spēka novērtējumu.
