Израчунавање силе у широком спектру ситуација пресудно је за физику. Већину времена је потребан само Њутнов други закон (Ф = ма), али овај основни приступ није увек најдиректнији начин за решавање сваког проблема. Када рачунате силу за предмет који пада, треба узети у обзир неколико додатних фактора, укључујући то с које висине предмет пада и колико се брзо зауставља. У пракси је најједноставнији метод за одређивање силе падајућег објекта коришћење очувања енергије као своје полазне тачке.
Позадина: Очување енергије
Очување енергије је основни концепт у физици. Енергија се не ствара или уништава, већ се трансформише из једног облика у други. Када користите енергију свог тела (и на крају храну коју сте појели) да подигнете лопту са земље, преносите ту енергију у гравитациону потенцијалну енергију; када је ослободите, та иста енергија постаје кинетичка (покретна) енергија. Када лопта удари о тло, енергија се ослобађа као звук, а неки могу довести и до повратка лопте. Овај концепт је пресудан када треба да израчунате енергију и силу падајућег објекта.
Енергија у тачки удара
Очување енергије олакшава утврђивање колике кинетичке енергије има објекат непосредно пре места удара. Сва енергија потиче од гравитационог потенцијала који је имала пре пада, тако да формула за гравитациону потенцијалну енергију даје вам све потребне информације. То је:
Е = мгх
У једначини, м је маса предмета, Е је енергија, г је убрзање због гравитационе константе (9,81 м с−2 или 9,81 метара у секунди на квадрат), а х је висина са које објекат пада. То можете лако решити за било који предмет који падне све док знате колики је и са кога пада.
Принцип рада и енергије
Принцип рада и енергије последњи је део слагалице када вежбате силу падајућег предмета. Овај принцип наводи да:
\ тект {просечна сила удара} \ пута \ тект {пређена удаљеност} = \ тект {промена у кинетичкој енергији}
Овом проблему је потребна просечна сила удара, па преуређивање једначине даје:
\ тект {просечна сила удара} = \ фрац {\ тект {промена у кинетичкој енергији}} {\ тект {пређена удаљеност}}
Пређена раздаљина је једина преостала информација, а ово је једноставно колико путује предмет пре него што се заустави. Ако продре у земљу, просечна сила удара је мања. Понекад се ово назива „удаљеност успоравања деформације“, а то можете да користите када се предмет деформише и заустави, чак и ако не продре у земљу.
Називајући пређени пут након удара д, и уз напомену да је промена у кинетичкој енергији иста као и гравитациона потенцијална енергија, комплетна формула се може изразити као:
\ тект {просечна сила удара} = \ фрац {мгх} {д}
Комплетирање прорачуна
Најтежи део за израчунавање прорачуна сила пада предмета је пређени пут. Можете процијенити да ћете на овај начин добити одговор, али постоје неке ситуације у којима можете саставити чвршћу цифру. Ако се предмет деформише при удару - на пример, комад воћа који се разбије ударивши о земљу - дужина дела предмета који се деформише може се користити као удаљеност.
Аутомобил у паду је још један пример јер се предњи део згужва од удара. Под претпоставком да се згужва за 50 центиметара, што је 0,5 метара, маса аутомобила је 2.000 кг, и спушта се са висине од 10 метара, следећи пример показује како се довршава прорачун. Сећајући се да је просечна сила удара = мгх ÷ д, поставили сте примере фигура на место:
\ тект {просечна сила удара} = \ фрац {2000 \ тект {кг} \ пута 9,81 \ тект {м / с} ^ 2 \ пута 10 \ тект {м}} {0,5 \ тект {м}} = 392,400 \ тект {Н} = 392,4 \ текст {кН}
Где је Н симбол за Њутне (јединица снаге), а кН значи кило-Њутна или хиљаде Њутна.
Савети
-
Објекти који одскачу
Вероватно је теже разрадити ударну силу када се предмет после одбије. Сила је једнака брзини промене импулса, па да бисте то урадили потребно је да знате импулс објекта пре и после одбијања. Израчунавањем промене импулса између пада и одбијања и подељивањем резултата са временом између ове две тачке, можете добити процену силе удара.