Podczas zderzenia energia poruszającego się obiektu zamienia się w pracę, a siła odgrywa ważną rolę. Aby utworzyć równanie dla siły dowolnego uderzenia, możesz ustawić równania dla energii i pracy jako równe sobie i rozwiązać dla siły. Stamtąd obliczenie siły uderzenia jest stosunkowo łatwe.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Aby obliczyć siłę uderzenia, podziel energię kinetyczną przez odległość.
Wpływ i energia
Energia jest definiowana jako zdolność do wykonywania pracy. Podczas zderzenia energia obiektu zamienia się w pracę. Energia poruszającego się obiektu nazywana jest energią kinetyczną i jest równa połowie masy obiektu pomnożonej przez kwadrat jego prędkości:
KE=\frac{1]{2}mv^2
Myśląc o sile uderzenia spadającego przedmiotu, możesz obliczyć energię przedmiotu w punkcie uderzenia, jeśli znasz wysokość, z której spadł. Ten rodzaj energii jest znany jako grawitacyjna energia potencjalna i jest równa masie obiektu pomnożonej przez wysokość, z której został zrzucony i przyspieszenie grawitacyjne:
PE=mgh
Wpływ i praca
Praca ma miejsce, gdy przyłożona jest siła, aby przesunąć obiekt na określoną odległość. Dlatego praca jest równa sile pomnożonej przez odległość:
W=Fd
Ponieważ siła jest składnikiem pracy, a uderzenie jest przekształceniem energii w pracę, możesz użyć równań energii i pracy, aby obliczyć siłę uderzenia. Odległość przebyta, gdy praca jest wykonywana przez uderzenie, nazywana jest odległością zatrzymania. Jest to odległość przebyta przez poruszający się obiekt po wystąpieniu uderzenia.
Uderzenie spadającego przedmiotu
Załóżmy, że chcesz poznać siłę uderzenia skały o masie jednego kilograma, która spada z wysokości dwóch metrów i wbija się na głębokość dwóch centymetrów w plastikową zabawkę. Pierwszym krokiem jest ustalenie równań na energię potencjalną grawitacji i pracę równych sobie i rozwiązanie siły.
W=PE=Fd=mgh \implikuje F=\frac{mgh}{d}
Drugim i ostatnim krokiem jest wstawienie wartości z problemu do równania siły. Pamiętaj, aby na wszystkich dystansach używać metrów, a nie centymetrów. Odległość zatrzymania wynosząca dwa centymetry musi być wyrażona jako dwie setne metra. Ponadto przyspieszenie grawitacyjne na Ziemi wynosi zawsze 9,8 metra na sekundę na sekundę. Siła uderzenia ze skały będzie wynosić:
F=\frac{(1)(9.8)(2)}{0.02}=980\text{ N}
Uderzenie z obiektu poruszającego się poziomo
Załóżmy teraz, że chcesz poznać siłę uderzenia 2200-kilogramowego samochodu jadącego z prędkością 20 metrów na sekundę, który uderza w ścianę podczas testu bezpieczeństwa. Odległość zatrzymania w tym przykładzie to strefa zgniotu samochodu lub odległość, o którą samochód skraca się po zderzeniu. Załóżmy, że samochód jest tak ściśnięty, że jest o trzy czwarte metra krótszy niż przed zderzeniem. Ponownie, pierwszym krokiem jest ustalenie równań dla energii – tym razem energii kinetycznej – i pracy równej sobie oraz obliczenia siły.
W=KE=Fd=\frac{1}{2}mv^2 \implikuje F = \frac{1/2 mv^2}{d}
Ostatnim krokiem jest wstawienie wartości z problemu do równania siły:
F = \frac{1/2 (2200)(20)^2}{0.75}=586.667 \text{ N}