การคำนวณแรงในสถานการณ์ที่หลากหลายมีความสำคัญต่อฟิสิกส์ ส่วนใหญ่แล้ว กฎข้อที่สองของนิวตัน (F = ma) คือสิ่งที่คุณต้องการ แต่แนวทางพื้นฐานนี้ไม่ใช่วิธีที่ตรงที่สุดในการจัดการทุกปัญหาเสมอไป เมื่อคุณคำนวณแรงสำหรับวัตถุที่ตกลงมา มีปัจจัยเพิ่มเติมบางประการที่ต้องพิจารณา รวมถึงความสูงของวัตถุที่ตกลงมาและความเร็วในการหยุดนิ่ง ในทางปฏิบัติ วิธีที่ง่ายที่สุดในการกำหนดแรงของวัตถุที่ตกลงมาคือการใช้การอนุรักษ์พลังงานเป็นจุดเริ่มต้นของคุณ
ความเป็นมา: การอนุรักษ์พลังงาน
การอนุรักษ์พลังงานเป็นแนวคิดพื้นฐานทางฟิสิกส์ พลังงานไม่ได้ถูกสร้างขึ้นหรือถูกทำลาย เพียงแค่เปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งเป็นอีกรูปแบบหนึ่ง เมื่อคุณใช้พลังงานจากร่างกาย (และสุดท้ายคืออาหารที่คุณกิน) เพื่อหยิบลูกบอลจากพื้นดิน คุณกำลังถ่ายเทพลังงานนั้นไปเป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วง เมื่อคุณปล่อยมัน พลังงานเดียวกันนั้นจะกลายเป็นพลังงานจลน์ (เคลื่อนที่) เมื่อลูกบอลกระทบพื้น พลังงานจะถูกปลดปล่อยออกมาเป็นเสียง และบางส่วนก็อาจทำให้ลูกบอลเด้งกลับขึ้นมาได้ แนวคิดนี้มีความสำคัญเมื่อคุณต้องการคำนวณพลังงานและแรงของวัตถุที่ตกลงมา
พลังงานที่ Impact Point
การอนุรักษ์พลังงานทำให้ง่ายต่อการคำนวณว่าวัตถุมีพลังงานจลน์มากน้อยเพียงใดก่อนถึงจุดกระทบ พลังงานทั้งหมดมาจากศักย์โน้มถ่วงที่มีอยู่ก่อนที่จะตกลงมา ดังนั้นสูตรของพลังงานศักย์โน้มถ่วงให้ข้อมูลทั้งหมดที่คุณต้องการ มันคือ:
E = มก.
ในสมการ m คือมวลของวัตถุ E คือพลังงาน g คือความเร่งเนื่องจากค่าคงตัวของแรงโน้มถ่วง (9.81 m s−2 หรือ 9.81 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง) และ h คือความสูงที่วัตถุตกลงมา คุณสามารถแก้ไขปัญหานี้ได้อย่างง่ายดายสำหรับวัตถุใดๆ ที่ตกลงมา ตราบใดที่คุณรู้ว่ามันใหญ่แค่ไหนและตกลงมาจากที่สูงแค่ไหน
หลักการทำงาน-พลังงาน
หลักการทำงานและพลังงานเป็นส่วนสุดท้ายของปริศนาเมื่อคุณกำลังหาแรงของวัตถุที่ตกลงมา หลักการนี้ระบุว่า:
\text{แรงกระทบเฉลี่ย}\ครั้ง \text{ ระยะทางที่เดินทาง} = \text{ การเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์}
ปัญหานี้ต้องการแรงกระแทกเฉลี่ย ดังนั้นการจัดเรียงสมการใหม่จะได้ดังนี้
\text{แรงกระทบเฉลี่ย} = \frac{\text{การเปลี่ยนแปลงในพลังงานจลน์}}{\text{ระยะทางที่เดินทาง}}
ระยะทางที่เดินทางเป็นเพียงข้อมูลชิ้นเดียวที่เหลืออยู่ และนี่เป็นเพียงระยะทางที่วัตถุเคลื่อนที่ก่อนที่จะหยุดนิ่ง หากเจาะพื้น แรงกระแทกเฉลี่ยจะน้อยกว่า บางครั้งสิ่งนี้เรียกว่า "ระยะการเปลี่ยนรูปช้าลง" และคุณสามารถใช้สิ่งนี้ได้เมื่อวัตถุเปลี่ยนรูปและหยุดนิ่ง แม้ว่ามันจะไม่ได้เจาะเข้าไปในพื้นดินก็ตาม
เมื่อเรียกระยะทางที่เดินทางหลังจากกระทบ d และสังเกตว่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจลน์เหมือนกับพลังงานศักย์โน้มถ่วง สูตรที่สมบูรณ์สามารถแสดงเป็น:
\text{แรงกระทบเฉลี่ย}=\frac{mgh}{d}
เสร็จสิ้นการคำนวณ
ส่วนที่ยากที่สุดในการคำนวณเมื่อคุณคำนวณแรงของวัตถุที่ตกลงมาคือระยะทางที่เดินทาง คุณสามารถประมาณการนี้เพื่อหาคำตอบ แต่มีบางสถานการณ์ที่คุณสามารถรวมร่างที่กระชับขึ้นได้ หากวัตถุเสียรูปเมื่อกระทบ เช่น เศษผลไม้ที่กระแทกพื้น เป็นต้น ความยาวของส่วนของวัตถุที่บิดเบี้ยวสามารถใช้เป็นระยะทางได้
รถล้มก็เป็นอีกตัวอย่างหนึ่งเพราะด้านหน้ายับจากการกระแทก สมมติให้ยู่ยี่ 50 เซนติเมตร ซึ่งเท่ากับ 0.5 เมตร มวลรถ 2,000 กิโลกรัม และตกจากที่สูง 10 เมตร ตัวอย่างต่อไปนี้แสดงวิธีทำ complete การคำนวณ จำไว้ว่าแรงกระแทกเฉลี่ย = mgh ÷ d คุณใส่ตัวเลขตัวอย่างไว้:
\text{แรงกระทบเฉลี่ย}=\frac{2000\text{ kg}\times 9.81\text{ m/s}^2\times 10\text{ m}}{0.5\text{ m}}=392,400\text { N} = 392.4\ข้อความ{ kN}
โดยที่ N เป็นสัญลักษณ์ของนิวตัน (หน่วยของแรง) และ kN หมายถึงกิโลนิวตันหรือหลายพันนิวตัน
เคล็ดลับ
-
วัตถุตีกลับ
การหาแรงกระแทกเมื่อวัตถุกระดอนหลังจากนั้นยากขึ้นมาก แรงจะเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัม ดังนั้นในการทำเช่นนี้ คุณต้องทราบโมเมนตัมของวัตถุก่อนและหลังการกระดอน โดยการคำนวณการเปลี่ยนแปลงของโมเมนตัมระหว่างการล้มและการกระดอน แล้วหารผลลัพธ์ด้วยระยะเวลาระหว่างสองจุดนี้ คุณจะได้รับค่าประมาณของแรงกระแทก