Çok çeşitli durumlarda kuvveti hesaplamak fizik için çok önemlidir. Çoğu zaman, Newton'un ikinci yasası (F = ma) tek ihtiyacınız olan şeydir, ancak bu temel yaklaşım her zaman her sorunu çözmenin en doğrudan yolu değildir. Düşen bir nesne için kuvveti hesaplarken, nesnenin ne kadar yüksekten düştüğü ve ne kadar çabuk durduğu da dahil olmak üzere dikkate alınması gereken birkaç ekstra faktör vardır. Pratikte, düşen nesne kuvvetini belirlemenin en basit yöntemi, başlangıç noktanız olarak enerjinin korunumunu kullanmaktır.
Arkaplan: Enerjinin Korunumu
Enerjinin korunumu fizikte temel bir kavramdır. Enerji yaratılmaz veya yok edilmez, sadece bir formdan diğerine dönüşür. Vücudunuzdaki enerjiyi (ve nihayetinde yediğiniz yemeği) yerden bir top almak için kullandığınızda, bu enerjiyi yerçekimi potansiyel enerjisine aktarıyorsunuz; serbest bıraktığınızda, aynı enerji kinetik (hareket eden) enerji olur. Top yere çarptığında, enerji ses olarak serbest bırakılır ve bazıları topun geri sıçramasına da neden olabilir. Bu kavram, düşen nesne enerjisini ve kuvvetini hesaplamanız gerektiğinde çok önemlidir.
Etki Noktasındaki Enerji
Enerjinin korunumu, bir nesnenin çarpma noktasından hemen önce ne kadar kinetik enerjiye sahip olduğunu bulmayı kolaylaştırır. Enerjinin tamamı düşmeden önceki yerçekimi potansiyelinden geldi, bu nedenle yerçekimi potansiyel enerjisi formülü size ihtiyacınız olan tüm bilgileri verir. Bu:
E = mgh
Denklemde, m nesnenin kütlesidir, E enerjidir, g yerçekimi sabitinden kaynaklanan ivmedir (9.81 m s)−2 veya 9.81 metre bölü saniye kare) ve h cismin düştüğü yüksekliktir. Ne kadar büyük olduğunu ve ne kadar yüksekten düştüğünü bildiğiniz sürece, düşen herhangi bir nesne için bunu kolayca çözebilirsiniz.
İş-Enerji Prensibi
İş-enerji ilkesi, düşen nesne kuvveti üzerinde çalışırken yapbozun son parçasıdır. Bu ilke şunları belirtir:
\text{ortalama çarpma kuvveti}\times \text{ kat edilen mesafe} = \text{ kinetik enerjideki değişim}
Bu problem ortalama darbe kuvvetine ihtiyaç duyar, bu nedenle denklemi yeniden düzenlemek şunları verir:
\text{ortalama darbe kuvveti} = \frac{\text{kinetik enerjideki değişim}}{\text{kat edilen mesafe}}
Katedilen mesafe kalan tek bilgi parçasıdır ve bu, nesnenin durmadan önce ne kadar yol kat ettiğidir. Yere nüfuz ederse, ortalama darbe kuvveti daha küçüktür. Bazen buna “deformasyon yavaşlama mesafesi” denir ve bunu, nesne zemine girmese bile deforme olduğunda ve durduğunda kullanabilirsiniz.
Çarpışmadan sonra kat edilen mesafeyi d olarak adlandırarak ve kinetik enerjideki değişimin yerçekimi potansiyel enerjisiyle aynı olduğuna dikkat ederek, tam formül şöyle ifade edilebilir:
\text{ortalama darbe kuvveti}=\frac{mgh}{d}
Hesaplamanın Tamamlanması
Düşen nesne kuvvetlerini hesaplarken en zor kısmı kat edilen mesafedir. Bunu bir cevap bulmak için tahmin edebilirsiniz, ancak daha sağlam bir rakamı bir araya getirebileceğiniz bazı durumlar vardır. Nesne çarptığında deforme olursa - örneğin yere çarptığında parçalanan bir meyve parçası - nesnenin deforme olan kısmının uzunluğu mesafe olarak kullanılabilir.
Düşen bir araba başka bir örnektir, çünkü ön taraf çarpmadan buruşmaktadır. 0,5 metre olan 50 santimetrede buruştuğunu varsayarsak, arabanın kütlesi 2.000 kg, ve 10 metre yükseklikten düşürülür, aşağıdaki örnekte nasıl tamamlanacağı gösterilmektedir. hesaplama. Ortalama darbe kuvvetinin = mgh ÷ d olduğunu hatırlayarak, örnek rakamları yerine koydunuz:
\text{ortalama etki kuvveti}=\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\metin{ kN}
N, Newton'un (kuvvet birimi) sembolüdür ve kN, kilo-Newton veya binlerce Newton anlamına gelir.
İpuçları
-
Sıçrayan Nesneler
Nesne daha sonra sıçradığında darbe kuvvetini hesaplamak çok daha zordur. Kuvvet, momentumun değişim hızına eşittir, bu yüzden bunu yapmak için cismin sıçramadan önceki ve sonraki momentumunu bilmeniz gerekir. Düşme ve sıçrama arasındaki momentum değişimini hesaplayarak ve sonucu bu iki nokta arasındaki süreye bölerek darbe kuvveti için bir tahmin elde edebilirsiniz.