Calculul forței într-o gamă largă de situații este crucial pentru fizică. De cele mai multe ori, a doua lege a lui Newton (F = ma) este tot ce aveți nevoie, dar această abordare de bază nu este întotdeauna cea mai directă modalitate de a aborda fiecare problemă. Când calculați forța pentru un obiect care se încadrează, există câțiva factori suplimentari care trebuie luați în considerare, inclusiv cât de înalt este obiectul și cât de repede se oprește. În practică, cea mai simplă metodă pentru determinarea forței obiectului care se încadrează este folosirea conservării energiei ca punct de plecare.
Context: Conservarea Energiei
Conservarea energiei este un concept fundamental în fizică. Energia nu este creată sau distrusă, ci doar transformată dintr-o formă în alta. Când folosești energia din corpul tău (și, în cele din urmă, mâncarea pe care ai mâncat-o) pentru a ridica o minge de la sol, transferi acea energie în energie potențială gravitațională; când o eliberați, aceeași energie devine energie cinetică (în mișcare). Când mingea lovește solul, energia este eliberată ca sunet, iar unele pot provoca, de asemenea, mingea să revină în sus. Acest concept este crucial atunci când trebuie să calculați energia și forța obiectului care se încadrează.
Energia la punctul de impact
Conservarea energiei face mai ușoară stabilirea cantității de energie cinetică pe care o are un obiect chiar înainte de punctul de impact. Energia provine din potențialul gravitațional pe care îl are înainte de a cădea, astfel încât formula pentru energia potențială gravitațională vă oferă toate informațiile de care aveți nevoie. Este:
E = mgh
În ecuație, m este masa obiectului, E este energia, g este accelerația datorată constantei de greutate (9,81 m s−2 sau 9,81 metri pe secundă pătrat), iar h este înălțimea de la care cade obiectul. Puteți rezolva cu ușurință acest lucru pentru orice obiect care cade atâta timp cât știți cât de mare este și de cât de înaltă cade.
Principiul de lucru-energie
Principiul muncii-energie este ultima piesă a puzzle-ului atunci când calculezi forța obiectului care se încadrează. Acest principiu prevede că:
\ text {forța medie de impact} \ ori \ text {distanța parcursă} = \ text {schimbarea energiei cinetice}
Această problemă are nevoie de forța medie de impact, astfel încât rearanjarea ecuației dă:
\ text {media impact force} = \ frac {\ text {modificare a energiei cinetice}} {\ text {distanța parcursă}}
Distanța parcursă este singura informație rămasă și acesta este pur și simplu cât de departe parcurge obiectul înainte de a se opri. Dacă pătrunde în sol, forța medie de impact este mai mică. Uneori, aceasta se numește „distanța de încetinire a deformării” și o puteți folosi atunci când obiectul se deformează și se oprește, chiar dacă nu pătrunde în pământ.
Apelând distanța parcursă după impactul d și observând că schimbarea energiei cinetice este aceeași cu energia potențială gravitațională, formula completă poate fi exprimată ca:
\ text {media impact force} = \ frac {mgh} {d}
Finalizarea calculului
Cel mai greu de rezolvat atunci când calculați forțele obiectelor care se încadrează este distanța parcursă. Puteți estima acest lucru pentru a veni cu un răspuns, dar există unele situații în care puteți pune împreună o figură mai fermă. Dacă obiectul se deformează atunci când face impact - o bucată de fruct care se sparge când lovește solul, de exemplu - lungimea porțiunii obiectului care se deformează poate fi folosită ca distanță.
O mașină care cade este un alt exemplu, deoarece partea din față se prăbușește din cauza impactului. Presupunând că se sfărâmă în 50 de centimetri, adică 0,5 metri, masa mașinii este de 2.000 kg, și este scăpat de la o înălțime de 10 metri, următorul exemplu arată cum să finalizați calcul. Amintindu-vă că forța medie de impact = mgh ÷ d, puneți exemplele de cifre la locul lor:
\ text {media 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 \ text {kN}
Unde N este simbolul pentru un Newton (unitatea de forță) și kN înseamnă kilo-Newton sau mii de Newton.
sfaturi
-
Obiecte săritoare
Lucrarea forței de impact atunci când obiectul ricoșează după aceea este mult mai dificilă. Forța este egală cu rata de schimbare a impulsului, deci pentru a face acest lucru trebuie să cunoașteți impulsul obiectului înainte și după săritură. Calculând modificarea impulsului dintre cădere și salt și împărțind rezultatul la cantitatea de timp dintre aceste două puncte, puteți obține o estimare a forței de impact.