Во время удара энергия движущегося объекта преобразуется в работу, и сила играет важную роль. Чтобы создать уравнение для силы любого удара, вы можете задать уравнения для энергии и работы, равные друг другу, и решить для силы. Отсюда относительно легко вычислить силу удара.
TL; DR (слишком длинный; Не читал)
Чтобы рассчитать силу удара, разделите кинетическую энергию на расстояние.
Удар и энергия
Энергия определяется как способность выполнять работу. Во время удара энергия объекта превращается в работу. Энергия движущегося объекта называется кинетической энергией и равна половине массы объекта, умноженной на квадрат его скорости:
KE = \ frac {1] {2} mv ^ 2
Думая о силе удара падающего объекта, вы можете рассчитать энергию объекта в его точке удара, если вы знаете высоту, с которой он был сброшен. Этот тип энергии известен как гравитационная потенциальная энергия и равен массе объекта, умноженной на высоту, с которой он был сброшен, и ускорение свободного падения:
PE = mgh
Воздействие и работа
Работа происходит, когда сила применяется для перемещения объекта на определенное расстояние. Следовательно, работа равна силе, умноженной на расстояние:
W = Fd
Поскольку сила - это компонент работы, а удар - это преобразование энергии в работу, вы можете использовать уравнения для энергии и работы, чтобы найти силу удара. Расстояние, пройденное при выполнении работы путем удара, называется дистанцией остановки. Это расстояние, пройденное движущимся объектом после удара.
Удар падающего объекта
Предположим, вы хотите узнать силу удара камня массой в один килограмм, который падает с высоты двух метров и погружается на два сантиметра в пластиковую игрушку. Первый шаг - установить уравнения для гравитационной потенциальной энергии и работы, равные друг другу, и решить для силы.
W = PE = Fd = mgh \ подразумевает F = \ frac {mgh} {d}
Второй и последний шаг - подставить значения из задачи в уравнение силы. Не забывайте использовать метры, а не сантиметры для всех расстояний. Расстояние остановки в два сантиметра должно быть выражено как две сотых метра. Кроме того, ускорение свободного падения на Земле всегда составляет 9,8 метра в секунду в секунду. Сила удара от камня составит:
F = \ frac {(1) (9,8) (2)} {0,02} = 980 \ text {N}
Удар от горизонтально движущегося объекта
Теперь предположим, что вы хотите узнать силу удара 2200-килограммового автомобиля, движущегося со скоростью 20 метров в секунду, который врезается в стену во время проверки безопасности. Расстояние остановки в этом примере - это зона деформации автомобиля или расстояние, на которое автомобиль укорачивается при ударе. Предположим, что автомобиль сдавлен настолько, что он на три четверти метра короче, чем был до удара. Опять же, первый шаг - это составить уравнения для энергии - на этот раз кинетической энергии - и работать, равные друг другу, и решить для силы.
W = KE = Fd = \ frac {1} {2} mv ^ 2 \ подразумевает F = \ frac {1/2 mv ^ 2} {d}
Последний шаг - подставить значения из задачи в уравнение для силы:
F = \ frac {1/2 (2,200) (20) ^ 2} {0,75} = 586,667 \ text {N}