Obliczanie siły w wielu różnych sytuacjach ma kluczowe znaczenie dla fizyki. W większości przypadków drugie prawo Newtona (F = ma) jest wszystkim, czego potrzebujesz, ale to podstawowe podejście nie zawsze jest najbardziej bezpośrednim sposobem rozwiązania każdego problemu. Podczas obliczania siły spadającego obiektu należy wziąć pod uwagę kilka dodatkowych czynników, w tym wysokość, z której spada obiekt i jak szybko się zatrzymuje. W praktyce najprostszą metodą określenia siły spadającego obiektu jest wykorzystanie zasady zachowania energii jako punktu wyjścia.
Tło: Ochrona energii
Zachowanie energii jest podstawowym pojęciem w fizyce. Energia nie jest tworzona ani niszczona, po prostu przekształcana z jednej formy w drugą. Kiedy używasz energii ze swojego ciała (i ostatecznie z jedzenia, które zjadłeś), aby podnieść piłkę z ziemi, przenosisz tę energię w potencjalną energię grawitacyjną; kiedy ją uwolnisz, ta sama energia staje się energią kinetyczną (ruchomą). Kiedy piłka uderza w ziemię, energia jest uwalniana jako dźwięk, a niektóre mogą również powodować odbicie piłki z powrotem. Ta koncepcja ma kluczowe znaczenie, gdy trzeba obliczyć energię i siłę spadającego obiektu.
Energia w punkcie uderzenia
Zasada zachowania energii ułatwia obliczenie, ile energii kinetycznej ma obiekt tuż przed punktem uderzenia. Cała energia pochodzi z potencjału grawitacyjnego, który ma przed upadkiem, więc wzór na energię potencjalną grawitacji daje ci wszystkie potrzebne informacje. To jest:
E = mgh
W równaniu m to masa obiektu, E to energia, g to przyspieszenie ziemskie (9,81 m s−2 lub 9,81 metra na sekundę do kwadratu), a h to wysokość, z której spada obiekt. Możesz to łatwo rozwiązać dla każdego przedmiotu, który spada, o ile wiesz, jak duży jest i z jakiej wysokości spada.
Zasada praca-energia
Zasada praca-energia to ostatni element układanki, gdy ćwiczysz siłę spadającego obiektu. Zasada ta stanowi, że:
\text{średnia siła uderzenia}\times \text{ przebyta odległość} = \text{ zmiana energii kinetycznej}
Ten problem wymaga średniej siły uderzenia, więc przekształcenie równania daje:
\text{średnia siła uderzenia} = \frac{\text{zmiana energii kinetycznej}}{\text{przebyty dystans}}
Przebyta odległość jest jedyną pozostałą informacją, a jest to po prostu odległość, jaką obiekt pokonuje, zanim się zatrzyma. Jeśli wbije się w ziemię, średnia siła uderzenia jest mniejsza. Czasami nazywa się to „dystansem spowolnienia deformacji” i można tego użyć, gdy obiekt odkształca się i zatrzymuje, nawet jeśli nie wnika w ziemię.
Nazywając odległość przebytą po uderzeniu d i zauważając, że zmiana energii kinetycznej jest taka sama jak grawitacyjna energia potencjalna, pełny wzór można wyrazić jako:
\text{średnia siła uderzenia}=\frac{mgh}{d}
Ukończenie obliczeń
Najtrudniejszą częścią do obliczenia przy obliczaniu sił spadających obiektów jest przebyta odległość. Możesz to oszacować, aby uzyskać odpowiedź, ale są sytuacje, w których możesz ustalić bardziej stanowczą liczbę. Jeśli przedmiot odkształca się podczas uderzenia – na przykład kawałek owocu, który rozbija się, gdy uderza o ziemię – długość części przedmiotu, która się odkształca, może być użyta jako odległość.
Innym przykładem jest spadający samochód, ponieważ przód gnije od uderzenia. Zakładając, że zgniata się w 50 centymetrach, czyli 0,5 metra, masa auta to 2000 kg, i spada z wysokości 10 metrów, poniższy przykład pokazuje, jak wykonać obliczenie. Pamiętając, że średnia siła uderzenia = mgh ÷ d, umieszczasz przykładowe liczby:
\text{średnia siła uderzenia}=\frac{2000\text{ kg}\razy 9.81\text{m/s}^2\razy 10\text{m}}{0.5\text{m}}=392,400\text { N} = 392,4\tekst{ kN}
Gdzie N jest symbolem niutona (jednostki siły), a kN oznacza kiloniutony lub tysiące niutonów.
Wskazówki
-
Odbijające się obiekty
Wypracowanie siły uderzenia, gdy obiekt odbija się później, jest znacznie trudniejsze. Siła jest równa szybkości zmiany pędu, więc aby to zrobić, musisz znać pęd obiektu przed i po odbiciu. Obliczając zmianę pędu między upadkiem a odbiciem i dzieląc wynik przez czas między tymi dwoma punktami, można uzyskać oszacowanie siły uderzenia.