Tijdens een impact wordt de energie van een bewegend voorwerp omgezet in arbeid en speelt kracht een belangrijke rol. Om een vergelijking te maken voor de kracht van een impact, kunt u de vergelijkingen voor energie en arbeid gelijk aan elkaar instellen en oplossen voor kracht. Van daaruit is het berekenen van de kracht van een impact relatief eenvoudig.
TL; DR (te lang; niet gelezen)
Om de impactkracht te berekenen, deelt u de kinetische energie door de afstand.
Impact en energie
Energie wordt gedefinieerd als het vermogen om arbeid te verrichten. Tijdens een impact wordt de energie van een voorwerp omgezet in arbeid. De energie van een bewegend object wordt kinetische energie genoemd en is gelijk aan de helft van de massa van het object maal het kwadraat van zijn snelheid:
KE=\frac{1]{2}mv^2
Als je nadenkt over de impactkracht van een vallend object, kun je de energie van het object op het impactpunt berekenen als je weet vanaf welke hoogte het is gevallen. Dit type energie staat bekend als potentiële zwaartekrachtenergie en is gelijk aan de massa van het object vermenigvuldigd met de hoogte van waaruit het is gevallen en de versnelling als gevolg van de zwaartekracht:
PE=mg
Impact en werk
Werk vindt plaats wanneer een kracht wordt uitgeoefend om een object over een bepaalde afstand te verplaatsen. Daarom is arbeid gelijk aan kracht vermenigvuldigd met afstand:
W=Fd
Omdat kracht een onderdeel is van arbeid en een impact de omzetting van energie in arbeid is, kun je de vergelijkingen voor energie en arbeid gebruiken om de kracht van een impact op te lossen. De afstand die wordt afgelegd wanneer het werk wordt bereikt door een impact, wordt de stopafstand genoemd. Het is de afstand die het bewegende object heeft afgelegd nadat de impact heeft plaatsgevonden.
Impact van een vallend voorwerp
Stel dat je de slagkracht wilt weten van een rots met een massa van één kilogram die van een hoogte van twee meter valt en zich twee centimeter diep in een plastic speelgoed nestelt. De eerste stap is om de vergelijkingen voor zwaartekracht potentiële energie in te stellen en gelijk aan elkaar te werken en op te lossen voor kracht.
W=PE=Fd=mgh \impliceert F=\frac{mgh}{d}
De tweede en laatste stap is om de waarden van het probleem in de vergelijking voor kracht in te vullen. Denk eraan om voor alle afstanden meters te gebruiken, geen centimeters. De stopafstand van twee centimeter moet worden uitgedrukt in twee honderdsten van een meter. Ook is de versnelling door de zwaartekracht op aarde altijd 9,8 meter per seconde per seconde. De kracht van de impact van de rots zal zijn:
F=\frac{(1)(9.8)(2)}{0.02}=980\text{ N}
Impact van een horizontaal bewegend object
Stel nu dat u de botskracht wilt weten van een auto van 2200 kilogram die met een snelheid van 20 meter per seconde rijdt en tijdens een veiligheidstest tegen een muur botst. De stopafstand is in dit voorbeeld de kreukelzone van de auto, oftewel de afstand waarmee de auto bij een aanrijding korter wordt. Stel dat de auto zo geplet is dat hij driekwart meter korter is dan voor de botsing. Nogmaals, de eerste stap is om de vergelijkingen voor energie in te stellen - deze keer kinetische energie - en gelijk aan elkaar te werken en op te lossen voor kracht.
W=KE=Fd=\frac{1}{2}mv^2 \implies F = \frac{1/2 mv^2}{d}
De laatste stap is om de waarden van het probleem in de vergelijking voor kracht in te vullen:
F = \frac{1/2 (2.200)(20)^2}{0.75}=586.667 \text{ N}
