Il calcolo della forza in una vasta gamma di situazioni è cruciale per la fisica. La maggior parte delle volte, la seconda legge di Newton (F = ma) è tutto ciò che serve, ma questo approccio di base non è sempre il modo più diretto per affrontare ogni problema. Quando stai calcolando la forza per un oggetto che cade, ci sono alcuni fattori aggiuntivi da considerare, tra cui quanto è alto l'oggetto da cui cade e quanto velocemente si ferma. In pratica, il metodo più semplice per determinare la forza dell'oggetto che cala è usare la conservazione dell'energia come punto di partenza.
Contesto: la conservazione dell'energia
La conservazione dell'energia è un concetto fondamentale in fisica. L'energia non viene creata o distrutta, ma trasformata da una forma all'altra. Quando usi l'energia del tuo corpo (e in definitiva il cibo che hai mangiato) per raccogliere una palla da terra, stai trasferendo quell'energia in energia potenziale gravitazionale; quando lo rilasci, quella stessa energia diventa energia cinetica (in movimento). Quando la palla colpisce il terreno, l'energia viene rilasciata come suono, e alcuni possono anche far rimbalzare la palla. Questo concetto è cruciale quando devi calcolare l'energia e la forza dell'oggetto che cade.
L'energia al punto di impatto
La conservazione dell'energia rende facile calcolare quanta energia cinetica ha un oggetto poco prima del punto di impatto. L'energia proviene dal potenziale gravitazionale che ha prima di cadere, quindi la formula per l'energia potenziale gravitazionale ti dà tutte le informazioni di cui hai bisogno. È:
E = mgh
Nell'equazione, m è la massa dell'oggetto, E è l'energia, g è l'accelerazione dovuta alla costante di gravità (9,81 ms - 2 o 9,81 metri al secondo quadrato), e h è l'altezza da cui l'oggetto cade. Puoi farlo facilmente per ogni oggetto che cade finché sai quanto è grande e quanto cade. Il principio dell'energia del lavoro Il principio dell'energia del lavoro è l'ultimo pezzo del puzzle quando stai elaborando la forza oggetto cadente. Questo principio afferma che: Forza d'urto media × Distanza percorsa = Variazione di energia cinetica Questo problema richiede la forza d'impatto media, quindi riorganizzare l'equazione dà: Impatto medio forza = Variazione di energia cinetica ÷ Distanza percorsa La distanza percorsa è l'unica informazione rimanente, e questo è semplicemente la distanza percorsa dall'oggetto prima di fermarsi. Se penetra nel terreno, la forza d'impatto media è minore. A volte questo è chiamato "rallentamento della deformazione" e puoi usarlo quando l'oggetto si deforma e si ferma, anche se non penetra nel terreno. Chiamare la distanza percorsa dopo l'impatto d, e notando che il cambiamento nell'energia cinetica è lo stesso dell'energia potenziale gravitazionale, la formula completa può essere espressa come: Forza d'impatto media = mgh ÷ d Completamento del calcolo La parte più difficile da calcolare quando si calcola la caduta delle forze dell'oggetto è la distanza percorsa. Puoi stimare questo per ottenere una risposta, ma ci sono alcune situazioni in cui puoi mettere insieme una figura più solida. Se l'oggetto si deforma quando colpisce, un pezzo di frutta che si schianta quando colpisce il terreno, ad esempio, la lunghezza della porzione dell'oggetto che si deforma può essere usata come distanza. Una macchina che cade è un altro esempio perché il fronte si accartoccia dall'impatto. Supponendo che si accartoccia in 50 centimetri, ovvero 0,5 metri, la massa dell'auto è di 2.000 kg e viene fatta cadere da un'altezza di 10 metri, il seguente esempio mostra come completare il calcolo. Ricordando che la forza d'urto media = mgh ÷ d, si mettono in posizione le cifre dell'esempio: Forza d'impatto media = (2000 kg × 9,81 ms - 2 × 10 m) ÷ 0,5 m = 392,400 N = 392,4 kN Dove N è il simbolo di un Newton (l'unità di forza) e kN significa kilo-Newton o migliaia di Newton. TL; DR (Troppo lungo; Did not Read) Rimbalzo di oggetti L'elaborazione della forza d'impatto quando l'oggetto rimbalza in seguito è molto più difficile. La forza è uguale al tasso di variazione della quantità di moto, quindi per fare questo è necessario conoscere la quantità di moto dell'oggetto prima e dopo il rimbalzo. Calcolando il cambiamento di quantità di moto tra la caduta e il rimbalzo e dividendo il risultato per la quantità di tempo tra questi due punti, è possibile ottenere una stima della forza d'impatto.
