Il calcolo della forza in una vasta gamma di situazioni è cruciale per la fisica. Il più delle volte, la seconda legge di Newton (F \u003d ma) è tutto ciò di cui hai bisogno, ma questo approccio di base non è sempre il modo più diretto per affrontare ogni problema. Quando si calcola la forza per un oggetto che cade, ci sono alcuni fattori extra da considerare, tra cui l'altezza da cui cade l'oggetto e la velocità con cui si ferma. In pratica, il metodo più semplice per determinare la forza dell'oggetto che cade è usare la conservazione dell'energia come punto di partenza.
Sfondo: La conservazione dell'energia

La conservazione dell'energia è un concetto fondamentale in fisica. L'energia non viene creata o distrutta, ma semplicemente 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, trasferisci 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 è necessario calcolare l'energia e la forza dell'oggetto che cade.
L'energia al punto di impatto

La conservazione dell'energia rende facile capire quanta energia cinetica ha un oggetto appena prima del punto di impatto. L'energia proviene tutta dal potenziale gravitazionale che ha prima di cadere, quindi la formula dell'energia potenziale gravitazionale ti fornisce tutte le informazioni di cui hai bisogno. È:

E \u003d 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 cade l'oggetto. Puoi risolverlo facilmente per qualsiasi oggetto che cade fintanto che sai quanto è grande e da quanto cade.
Il principio di lavoro-energia}

Il principio di lavoro-energia è l'ultimo pezzo del puzzle quando stai elaborando la forza dell'oggetto che cade. Questo principio afferma che:

Forza d'urto media × Distanza percorsa \u003d Variazione dell'energia cinetica

Questo problema richiede la forza d'urto media, quindi riorganizzare l'equazione dà:

Impatto medio force \u003d Variazione dell'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 di impatto media è inferiore. A volte questa si chiama "deformazione rallenta la distanza", e puoi usarla 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 la variazione dell'energia cinetica è la stessa dell'energia potenziale gravitazionale, la formula completa può essere espressa come:

Forza d'urto media \u003d mgh ÷ d
Completamento del calcolo

La parte più difficile da calcolare quando si calcolano le forze dell'oggetto che cadono è la distanza percorsa. Puoi stimarlo per trovare una risposta, ma ci sono alcune situazioni in cui puoi mettere insieme una figura più solida. Se l'oggetto si deforma quando ha un impatto, ad esempio un pezzo di frutta che si rompe quando colpisce il terreno, la lunghezza della parte dell'oggetto che si deforma può essere utilizzata come distanza.

Un'auto che cade è un altro esempio perché la parte anteriore si sgretola dall'impatto. Supponendo che si sgretoli in 50 centimetri, ovvero 0,5 metri, la massa della macchina sia di 2.000 kg e sia caduta da un'altezza di 10 metri, il seguente esempio mostra come completare il calcolo. Ricordando che la forza d'urto media \u003d mgh ÷ d, si mettono in atto le figure di esempio:

Forza d'urto media \u003d (2000 kg × 9,81 ms ^{- 2 × 10 m) ÷ 0,5 m \u003d 392.400 N \u003d 392.4 kN}

Dove N è il simbolo di un Newton (l'unità di forza) e kN significa kilo-Newton o migliaia di Newton.

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