Sådan beregnes styrken af ​​et faldende objekt

Beregning af kraften i en bred vifte af situationer er afgørende for fysikken. For det meste er Newtons anden lov (F = ma) alt hvad du behøver, men denne grundlæggende tilgang er ikke altid den mest direkte måde at tackle ethvert problem på. Når du beregner kraft for et faldende objekt, er der et par ekstra faktorer at overveje, herunder hvor høj objektet falder fra og hvor hurtigt det kommer til et stop. I praksis er den enkleste metode til bestemmelse af den faldende objektstyrke at bruge bevarelsen af ​​energi som udgangspunkt.

Baggrund: Energibesparelsen

Bevarelsen af ​​energi er et grundlæggende koncept i fysik. Energi er ikke skabt eller ødelagt, bare forvandlet fra en form til en anden. Når du bruger energien fra din krop (og i sidste ende den mad du har spist) for at hente en bold fra jorden, overfører du den energi til gravitationspotentiale energi; Når du frigiver det, bliver den samme energi kinetisk (bevægende) energi. Når bolden rammer jorden, frigives energien som lyd, og nogle kan også få bolden til at hoppe op igen. Dette koncept er afgørende, når du skal beregne faldende objekt energi og kraft.

Energien ved effektpunktet

Bevarelsen af ​​energi gør det nemt at finde ud af, hvor meget kinetisk energi en genstand har lige før stødpunktet. Energien er alle kommet fra det gravitationspotentiale, den tidligere har falder, så formlen til gravitationspotentialel energi giver dig al den information, du har brug for. Det er:

E = mgh

I ligningen er m objektets masse, E er energien, g er accelerationen på grund af tyngdekraften konstant (9,81 ms ^{- 2 eller 9,81 meter pr. sekund kvadreret), og h er den højde, objektet falder fra. Du kan nemt arbejde det ud for ethvert objekt, der falder så længe du ved, hvor stort det er, og hvor højt det kommer fra.}

Arbejdsproduktprincippet

Arbejdsproducentprincippet er Det sidste stykke af puslespillet, når du arbejder ud af den faldende objektkraft. Dette princip fastslår, at:

Gennemsnitlig påvirkningskraft × Afstandsrejse = Ændring i kinetisk energi

Dette problem har brug for den gennemsnitlige slagkraft, så omlægning af ligningen giver:

Gennemsnitlig påvirkning force = Ændring i kinetisk energi ÷ Afstand tilbagelagt

Afstanden er den eneste tilbageværende information, og det er simpelt hen, hvor langt genstanden bevæger sig, før man kommer til et stop. Hvis det trænger ind i jorden, er den gennemsnitlige slagkraft mindre. Nogle gange kaldes dette "deformation slowdown distance", og du kan bruge dette, når objektet deformeres og stopper, selvom det ikke trænger ind i jorden.

Kører afstanden, der er rejst efter indflydelse d, og bemærker, at ændringen i kinetisk energi er den samme som gravitationspotentialenergien, kan den komplette formel udtrykkes som:

Gennemsnitlig slagkraft = mgh ÷ d

Afslutte beregningen

Den hårdeste del at træne ud, når du beregner faldende objektkræfter er den tilbagelagte afstand. Du kan estimere dette for at komme med et svar, men der er nogle situationer, hvor du kan sammensætte en fastere figur. Hvis objektet deformeres, når det får indflydelse - et stykke frugt, der smadrer som det rammer jorden, for eksempel - længden af ​​den del af objektet, der deformeres, kan bruges som afstand.

En faldende bil er Et andet eksempel, fordi fronten krymper fra virkningen. Forudsat at det krymper i 50 centimeter, hvilket er 0,5 meter, er bilens masse 2.000 kg, og den falder fra en højde på 10 meter. Følgende eksempel viser, hvordan beregningen skal udføres. Husk at den gennemsnitlige slagkraft = mgh ÷ d, du sætter eksempler på figurerne:

Gennemsnitlig slagkraft = (2000 kg × 9,81 ms ^{- 2 × 10 m) ÷ 0,5 m = 392.400 N = 392.4 kN}

Hvor N er symbolet for en Newtons (kraftenheden) og kN betyder kilo-Newtons eller tusindvis af Newtons.

TL; DR (For længe; Ikke læst)

Stødende objekter

Udvikling af stødstyrken, når objektet springer efterpå, er meget vanskeligere. Kraften er lig med hastigheden af ​​forandring af momentum, så for at gøre dette skal du kende momentets bevægelse før og efter studiet. Ved at beregne forandringen i momentum mellem faldet og studiet og dividere resultatet med tiden mellem disse to punkter, kan du få et estimat for slagkraften.