Izračun sile v različnih situacijah je za fiziko ključnega pomena. Največkrat je Newtonov drugi zakon (F = ma) vse, kar potrebujete, vendar ta osnovni pristop ni vedno najbolj neposreden način za reševanje vsake težave. Pri izračunu sile za padajoči predmet je treba upoštevati nekaj dodatnih dejavnikov, vključno s tem, kako visoko objekt pade in kako hitro se ustavi. V praksi je najpreprostejša metoda za določanje sile padajočega predmeta uporaba ohranjanja energije kot izhodišča.
Ozadje: Varčevanje z energijo
Ohranjanje energije je temeljni pojem v fiziki. Energija se ne ustvarja ali uničuje, temveč se preoblikuje iz ene oblike v drugo. Ko energijo svojega telesa (in na koncu tudi hrano, ki ste jo pojedli) uporabite za dvig žoge s tal, to energijo prenesete v gravitacijsko potencialno energijo; ko jo sprostite, ta ista energija postane kinetična (gibljiva) energija. Ko žoga udari o tla, se energija sprosti kot zvok, nekateri pa lahko povzročijo, da se žoga vrne nazaj. Ta koncept je ključnega pomena, ko morate izračunati energijo in silo padajočega predmeta.
Energija na točki udarca
Ohranjanje energije omogoča enostavno ugotavljanje, koliko kinetične energije ima objekt tik pred točko udarca. Vsa energija izvira iz gravitacijskega potenciala, ki ga ima pred padcem, zato formula za gravitacijsko potencialno energijo daje vse potrebne informacije. Je:
E = mgh
V enačbi je m masa predmeta, E energija, g pospešek zaradi gravitacijske konstante (9,81 m s−2 ali 9,81 metra na sekundo na kvadrat), h pa višina, s katere pade predmet. To lahko enostavno razrešite za vsak predmet, ki pade, če veste, kako velik je in kako visoko pade.
Delovno-energetsko načelo
Načelo delovne energije je zadnji del sestavljanke, ko delate sila padajočega predmeta. To načelo določa, da:
\ text {povprečna sila udarca} \ krat \ text {prevožena razdalja} = \ text {sprememba kinetične energije}
Ta težava potrebuje povprečno silo udarca, zato preureditev enačbe daje:
\ text {povprečna sila udarca} = \ frac {\ text {sprememba kinetične energije}} {\ text {prevožena razdalja}}
Prevožena razdalja je edini preostali podatek in to je preprosto to, kako daleč prevozi objekt, preden se ustavi. Če prodre v tla, je povprečna udarna sila manjša. Včasih se temu reče "razdalja za upočasnitev deformacije" in to lahko uporabite, ko se objekt deformira in ustavi, tudi če ne prodre v tla.
Če pokličemo prevoženo pot po udarcu d in ugotavljamo, da je sprememba kinetične energije enaka gravitacijski potencialni energiji, lahko celotno formulo izrazimo kot:
\ text {povprečna sila udarca} = \ frac {mgh} {d}
Dokončanje izračuna
Najtežje je izračunati silo padajočih predmetov prevoženo pot. Lahko ocenite, da boste prišli do odgovora, vendar lahko v nekaterih situacijah sestavite trdnejše podatke. Če se objekt pri udarcu deformira - na primer košček sadja, ki se ob trku udari ob tla - lahko dolžino dela predmeta, ki se deformira, uporabimo kot razdaljo.
Padajoči avto je še en primer, ker se spredaj od trčenja zmečka. Ob predpostavki, da se zmečka v 50 centimetrih, kar je 0,5 metra, je masa avtomobila 2000 kg, in se spusti z višine 10 metrov, naslednji primer prikazuje, kako dokončati izračun. Če se spomnite, da je povprečna sila udarca = mgh ÷ d, postavite primere številk:
\ text {povprečna sila udarca} = \ frac {2000 \ text {kg} \ krat 9,81 \ text {m / s} ^ 2 \ krat 10 \ text {m}} {0,5 \ text {m}} = 392.400 \ text {N} = 392,4 \ besedilo {kN}
Kjer je N simbol za Newton (enota sile) in kN pomeni kilo-Newton ali tisoč Newton.
Nasveti
-
Odskočni predmeti
Delo z udarno silo, ko se predmet kasneje odbije, je veliko težje. Sila je enaka hitrosti spremembe gibanja, zato morate za to poznati zagon predmeta pred in po odboju. Z izračunom spremembe gibanja med padcem in odbojem ter deljenjem rezultata s časom med tema dvema točkama lahko dobite oceno sile udarca.