Hur man beräknar kraften hos ett fallande föremål

Att beräkna kraften i ett brett spektrum av situationer är avgörande för fysiken. För det mesta är Newtons andra lag (F = ma) allt du behöver, men detta grundläggande tillvägagångssätt är inte alltid det mest direkta sättet att ta itu med alla problem. När du beräknar kraft för ett fallande föremål finns det några extra faktorer att tänka på, inklusive hur högt objektet faller från och hur snabbt det tar stopp. I praktiken är den enklaste metoden för att bestämma den fallande föremålskraften att använda energibesparingen som utgångspunkt.

Bevarandet av energi är ett grundläggande begrepp i fysiken. Energi skapas inte eller förstörs, utan förvandlas bara från en form till en annan. När du använder energin från din kropp (och i slutändan maten du har ätit) för att plocka upp en boll från marken, överför du den energin till gravitationell potentiell energi; när du släpper den blir samma energi kinetisk (rörlig) energi. När bollen slår i marken släpps energin som ljud, och vissa kan också få bollen att studsa upp igen. Detta koncept är avgörande när du behöver beräkna fallande objektets energi och kraft.

Energibesparingen gör det enkelt att räkna ut hur mycket kinetisk energi ett föremål har strax före kollisionen. Energin har alla kommit från gravitationspotentialen den har innan den föll, så formeln för gravitationspotentialenergi ger dig all information du behöver. Det är:

I ekvationen är m objektets massa, E är energin, g är accelerationen på grund av gravitationskonstanten (9,81 m s⁻² eller 9,81 meter per sekund i kvadrat) och h är höjden objektet faller från. Du kan lätt ta reda på det för alla objekt som faller så länge du vet hur stor den är och hur hög den faller från.

Arbetsenergiprincipen är den sista biten i pusslet när du tränar den fallande föremålskraften. Denna princip säger att:

Detta problem behöver den genomsnittliga slagkraften, så omläggning av ekvationen ger:

Den rest sträcka är den enda kvarvarande informationen, och detta är helt enkelt hur långt objektet färdas innan det stoppas. Om den tränger ner i marken är den genomsnittliga slagkraften mindre. Ibland kallas detta "deformation långsammare avstånd", och du kan använda detta när objektet deformeras och stoppar, även om det inte tränger in i marken.

Genom att anropa det sträcka som har rest efter inverkan d, och notera att förändringen i kinetisk energi är densamma som gravitationspotentialenergin, kan hela formeln uttryckas som:

Det svåraste att träna när du beräknar fallande föremålskrafter är det sträcka som har rest. Du kan uppskatta detta för att komma med ett svar, men det finns vissa situationer där du kan sätta ihop en fastare figur. Om objektet deformeras när det stöter - en bit frukt som krossar när den till exempel träffar marken - kan längden på den del av objektet som deformeras användas som avstånd.

En fallande bil är ett annat exempel eftersom fronten skrynklar av stöten. Om vi ​​antar att den skrynklas på 50 centimeter, vilket är 0,5 meter, är bilens massa 2000 kg, och den tappas från en höjd av 10 meter. Följande exempel visar hur man slutför beräkning. Kom ihåg att den genomsnittliga slagkraften = mgh ÷ d, du sätter exemplens siffror på plats:

Där N är symbolen för Newton (kraftenheten) och kN betyder kilo-Newton eller tusentals Newton.

• ​Studsande objekt​

  Att arbeta ut slagkraften när objektet studsar efteråt är mycket svårare. Kraften är lika med hastigheten för förändring av momentum, så för att göra detta måste du känna till objektets moment före och efter studsan. Genom att beräkna förändringen i momentum mellan fallet och studsen och dela resultatet med tiden mellan dessa två punkter kan du få en uppskattning av slagkraften.