Розрахунок сили в широкому діапазоні ситуацій має вирішальне значення для фізики. Найчастіше другий закон Ньютона (F = ma) - це все, що вам потрібно, але цей базовий підхід не завжди є найпрямішим способом вирішення кожної проблеми. Під час обчислення сили для падаючого об’єкта слід врахувати кілька додаткових факторів, зокрема, наскільки сильно об’єкт падає та як швидко він зупиняється. На практиці найпростішим методом визначення сили падаючого об’єкта є використання збереження енергії як вихідної точки.
Довідкова інформація: Збереження енергії
Збереження енергії є основним поняттям у фізиці. Енергія не створюється і не руйнується, а лише трансформується з однієї форми в іншу. Коли ви використовуєте енергію свого тіла (і зрештою їжу, яку ви з’їли), щоб підняти кульку з землі, ви переносите цю енергію в гравітаційну потенційну енергію; коли ви звільняєте його, ця сама енергія стає кінетичною (рухомою) енергією. Коли куля вдаряється об землю, енергія виділяється як звук, а деякі можуть також спричинити відскок м’яча назад. Ця концепція має вирішальне значення, коли потрібно розрахувати енергію та силу падаючого предмета.
Енергія в точці удару
Збереження енергії дозволяє легко з’ясувати, скільки кінетичної енергії має об’єкт безпосередньо перед точкою удару. Енергія походить від гравітаційного потенціалу, який вона мала до падіння, тому формула для гравітаційного потенціалу енергії надає всю необхідну інформацію. Це є:
E = mgh
У рівнянні m - маса об'єкта, E - енергія, g - прискорення, обумовлене постійною силою тяжіння (9,81 м с−2 або 9,81 метра в секунду в квадраті), а h - висота, з якої падає об'єкт. Ви можете легко це розробити для будь-якого предмета, який падає, доки ви знаєте, який він великий і з якого висоти він падає.
Принцип роботи та енергії
Принцип роботи та енергії - це остання частина головоломки, коли ви розробляєте силу падаючого об’єкта. Цей принцип стверджує, що:
\ text {середня сила удару} \ times \ text {пройдена відстань} = \ text {зміна кінетичної енергії}
Для цієї проблеми потрібна середня сила удару, тому перестановка рівняння дає:
\ text {середня сила удару} = \ frac {\ text {зміна кінетичної енергії}} {\ text {пройдена відстань}}
Пройдена відстань є єдиною інформацією, що залишилася, і це просто те, наскільки далеко проходить об’єкт, перш ніж зупинитися. Якщо він проникає в землю, середня сила удару менша. Іноді це називають "відстань уповільнення деформації", і ви можете використовувати це, коли об'єкт деформується і зупиняється, навіть якщо він не проникає в землю.
Називаючи пройдену відстань після удару d та зазначаючи, що зміна кінетичної енергії така ж, як і гравітаційна потенційна енергія, повну формулу можна виразити як:
\ text {середня сила удару} = \ frac {mgh} {d}
Завершення розрахунку
Найскладніше опрацювати, коли розраховується сила падаючого об’єкта, - це пройдена відстань. Ви можете оцінити це, щоб запропонувати відповідь, але є деякі ситуації, коли ви можете скласти більш тверду цифру. Якщо об’єкт деформується при ударі - наприклад, шматочок фрукта, який розбивається, потрапляючи на землю, - довжину частини предмета, який деформується, можна використовувати як відстань.
Падіння автомобіля - ще один приклад, тому що спереду м’яться від удару. Якщо припустити, що вона мнеться в 50 сантиметрів, що становить 0,5 метра, маса автомобіля становить 2000 кг, і він скидається з висоти 10 метрів, у наступному прикладі показано, як заповнити розрахунок. Пам'ятаючи, що середня сила удару = mgh ÷ d, ви ставите приклади цифр на місце:
\ text {середня сила удару} = \ frac {2000 \ text {kg} \ разів 9,81 \ text {m / s} ^ 2 \ разів 10 \ text {m}} {0,5 \ text {m}} = 392400 \ text {N} = 392,4 \ текст {kN}
Де N - символ Ньютона (одиниця сили), а kN означає кілоньютон або тисячу Ньютонів.
Поради
-
Підстрибуючі предмети
Опрацювати силу удару при відскакуванні об’єкта набагато складніше. Сила дорівнює швидкості зміни імпульсу, тому для цього потрібно знати імпульс об’єкта до і після відскоку. Розрахувавши зміну імпульсу між падінням і відскоком і поділивши результат на кількість часу між цими двома точками, ви можете отримати оцінку сили удару.