Como calcular a força de um objeto em queda

Calcular a força em uma ampla gama de situações é crucial para a física. Na maioria das vezes, a segunda lei de Newton (F = ma) é tudo que você precisa, mas esta abordagem básica nem sempre é a maneira mais direta de resolver todos os problemas. Quando você está calculando a força de um objeto em queda, existem alguns fatores extras a serem considerados, incluindo a altura de onde o objeto está caindo e a rapidez com que para. Na prática, o método mais simples para determinar a força do objeto em queda é usar a conservação de energia como ponto de partida.

A conservação de energia é um conceito fundamental em física. A energia não é criada ou destruída, apenas transformada de uma forma para outra. Quando você usa a energia de seu corpo (e, finalmente, a comida que você comeu) para pegar uma bola do chão, você está transferindo essa energia em energia potencial gravitacional; quando você a libera, essa mesma energia se torna energia cinética (móvel). Quando a bola atinge o solo, a energia é liberada como som, e alguns podem também fazer com que a bola quique de volta. Este conceito é crucial quando você precisa calcular a energia e a força do objeto em queda.

A conservação de energia torna mais fácil calcular quanta energia cinética um objeto possui pouco antes do ponto de impacto. Toda a energia vem do potencial gravitacional que possui antes de cair, então a fórmula da energia potencial gravitacional fornece todas as informações de que você precisa. Isto é:

Na equação, m é a massa do objeto, E é a energia, g é a aceleração devido à constante de gravidade (9,81 m s⁻² ou 9,81 metros por segundo ao quadrado), e h é a altura da qual o objeto cai. Você pode calcular isso facilmente para qualquer objeto que caia, desde que você saiba o quão grande ele é e a que altura ele cai.

O princípio da energia de trabalho é a última peça do quebra-cabeça quando você está calculando a força do objeto em queda. Este princípio afirma que:

Este problema precisa da força de impacto média, portanto, reorganizando a equação dá:

A distância percorrida é a única informação restante, e esta é simplesmente a distância que o objeto percorre antes de parar. Se penetrar no solo, a força média de impacto é menor. Às vezes, isso é chamado de "distância de desaceleração de deformação" e você pode usar isso quando o objeto deforma e para, mesmo que não penetre no solo.

Chamando a distância percorrida após o impacto d, e observando que a mudança na energia cinética é a mesma que a energia potencial gravitacional, a fórmula completa pode ser expressa como:

A parte mais difícil de descobrir quando você calcula as forças do objeto em queda é a distância percorrida. Você pode estimar isso para chegar a uma resposta, mas há algumas situações em que você pode criar uma figura mais firme. Se o objeto se deforma ao fazer o impacto - um pedaço de fruta que se quebra ao atingir o solo, por exemplo - o comprimento da porção do objeto que se deforma pode ser usado como distância.

Um carro em queda é outro exemplo porque a frente dobra com o impacto. Supondo que ele se dobre em 50 centímetros, que é 0,5 metros, a massa do carro é de 2.000 kg, e é largado de uma altura de 10 metros, o exemplo a seguir mostra como completar o Cálculo. Lembrando que a força de impacto média = mgh ÷ d, você coloca os números de exemplo no lugar:

Onde N é o símbolo de Newtons (a unidade de força) e kN significa quilo-Newtons ou milhares de Newtons.

• ​Objetos saltitantes​

  Determinar a força de impacto quando o objeto salta posteriormente é muito mais difícil. A força é igual à taxa de variação do momento, então para fazer isso você precisa saber o momento do objeto antes e depois do salto. Calculando a mudança no momento entre a queda e o salto e dividindo o resultado pela quantidade de tempo entre esses dois pontos, você pode obter uma estimativa para a força de impacto.