Расчет силы в широком диапазоне ситуаций имеет решающее значение для физики. В большинстве случаев второй закон Ньютона (F = ma) - это все, что вам нужно, но этот базовый подход не всегда является самым прямым способом решения каждой проблемы. При расчете силы для падающего объекта необходимо учитывать несколько дополнительных факторов, в том числе, с какой высоты объект падает и как быстро он останавливается. На практике самый простой метод определения силы падающего объекта - использовать закон сохранения энергии в качестве отправной точки.
Справочная информация: Сохранение энергии
Сохранение энергии - фундаментальное понятие в физике. Энергия не создается и не уничтожается, она просто трансформируется из одной формы в другую. Когда вы используете энергию своего тела (и, в конечном итоге, съеденную пищу), чтобы поднять мяч с земли, вы переводите эту энергию в потенциальную энергию гравитации; когда вы его отпускаете, та же самая энергия становится кинетической (движущейся) энергией. Когда мяч ударяется о землю, энергия выделяется в виде звука, а некоторые из них могут также заставить мяч отскочить вверх. Эта концепция имеет решающее значение, когда вам нужно рассчитать энергию и силу падающего объекта.
Энергия в точке удара
Сохранение энергии позволяет легко определить, сколько кинетической энергии имеет объект непосредственно перед точкой удара. Вся энергия исходит из гравитационного потенциала, которым он обладал до падения, поэтому формула для гравитационной потенциальной энергии дает вам всю необходимую информацию. Это:
E = mgh
В уравнении m - масса объекта, E - энергия, g - ускорение свободного падения (9,81 м · с.−2 или 9,81 метра в секунду в квадрате), а h - высота, с которой падает объект. Вы можете легко решить это для любого падающего объекта, если знаете, насколько он велик и с какой высоты падает.
Принцип работы-энергии
Принцип работы-энергии - последний кусок головоломки, когда вы работаете с силой падающего объекта. Этот принцип гласит, что:
\ text {средняя сила удара} \ times \ text {пройденное расстояние} = \ text {изменение кинетической энергии}
Эта задача требует средней силы удара, поэтому преобразование уравнения дает:
\ text {средняя сила удара} = \ frac {\ text {изменение кинетической энергии}} {\ text {пройденное расстояние}}
Пройденное расстояние - это единственная оставшаяся часть информации, и это просто то, как далеко перемещается объект, прежде чем остановиться. Если он проникает в землю, средняя сила удара меньше. Иногда это называется «дистанцией замедления деформации», и вы можете использовать это, когда объект деформируется и останавливается, даже если он не проникает в землю.
Называя расстояние, пройденное после удара d, и отмечая, что изменение кинетической энергии такое же, как и гравитационная потенциальная энергия, полная формула может быть выражена как:
\ text {средняя сила удара} = \ frac {mgh} {d}
Завершение расчета
При расчете силы падающего объекта сложнее всего понять пройденное расстояние. Вы можете оценить это, чтобы прийти к ответу, но в некоторых ситуациях вы можете составить более точную цифру. Если объект деформируется при ударе - например, фрукт разбивается при ударе о землю - длина деформируемой части объекта может быть использована в качестве расстояния.
Другой пример - падающая машина, потому что передняя часть сминается от удара. Если предположить, что он мнется в 50 сантиметрах, что составляет 0,5 метра, то масса автомобиля составляет 2000 кг, и его сбрасывают с высоты 10 метров, в следующем примере показано, как выполнить расчет. Помня, что средняя сила удара = mgh ÷ d, вы помещаете цифры в качестве примера:
\ text {средняя сила удара} = \ frac {2000 \ text {кг} \ times 9,81 \ text {м / с} ^ 2 \ times 10 \ text {m}} {0,5 \ text {m}} = 392 400 \ text {N} = 392,4 \ text {кН}
Где N - символ Ньютонов (единица силы), а кН означает килоньютоны или тысячи Ньютонов.
Советы
-
Прыгающие объекты
Гораздо сложнее рассчитать силу удара, когда объект отскакивает после этого. Сила равна скорости изменения количества движения, поэтому для этого вам необходимо знать импульс объекта до и после отскока. Вычислив изменение импульса между падением и отскоком и разделив результат на время между этими двумя точками, вы можете получить оценку силы удара.