De kracht berekenen in een breed scala van situaties is cruciaal voor de fysica. Meestal is Newton's tweede wet (F \u003d ma) alles wat je nodig hebt, maar deze basisbenadering is niet altijd de meest directe manier om elk probleem aan te pakken. Wanneer u de kracht berekent voor een vallende voorwerp, zijn er een paar extra factoren waarmee u rekening moet houden, zoals hoe hoog het voorwerp valt en hoe snel het tot stilstand komt. In de praktijk is de eenvoudigste methode om de vallende objectkracht te bepalen het behoud van energie als uitgangspunt.
Achtergrond: het behoud van energie

Het behoud van energie is een fundamenteel concept in de fysica. Energie wordt niet gecreëerd of vernietigd, maar gewoon van de ene vorm in de andere omgezet. Wanneer je de energie van je lichaam (en uiteindelijk het voedsel dat je hebt gegeten) gebruikt om een bal van de grond op te pakken, breng je die energie over in gravitatie potentiële energie; wanneer je het loslaat, wordt diezelfde energie kinetische (bewegende) energie. Wanneer de bal de grond raakt, komt de energie vrij als geluid, en sommige kunnen er ook voor zorgen dat de bal terug stuitert. Dit concept is cruciaal wanneer u de energie en kracht van vallende objecten moet berekenen.
De energie op het impactpunt

Het behoud van energie maakt het gemakkelijk om te berekenen hoeveel kinetische energie een object heeft net voor de trefpunt. De energie is allemaal afkomstig van het zwaartekrachtpotentieel dat het heeft voordat het viel, dus de formule voor zwaartekrachtpotentiele energie geeft je alle informatie die je nodig hebt. Het is:

E \u003d mgh

In de vergelijking is m de massa van het object, E is de energie, g is de versnelling als gevolg van de zwaartekrachtconstante (9,81 ms ^{- 2 of 9,81 vierkante meter per seconde), en h is de hoogte waaruit het object valt. Je kunt dit eenvoudig uitwerken voor elk object dat valt zolang je weet hoe groot het is en hoe hoog het valt.
Het werk-energieprincipe}

Het werk-energieprincipe is het laatste stuk van de puzzel wanneer je de kracht van het vallende voorwerp uitwerkt. Dit principe stelt dat:

Gemiddelde impactkracht × afgelegde afstand \u003d Verandering in kinetische energie

Dit probleem heeft de gemiddelde impactkracht nodig, dus het herschikken van de vergelijking geeft:

Gemiddelde impact force \u003d Verandering in kinetische energie ÷ Afgelegde afstand

De afgelegde afstand is het enige resterende stukje informatie, en dit is gewoon hoe ver het object reist voordat het tot stilstand komt. Als het in de grond doordringt, is de gemiddelde slagkracht kleiner. Soms wordt dit de 'vervormingsvertragingsafstand' genoemd en kun je deze gebruiken wanneer het object vervormt en tot stilstand komt, zelfs als het niet in de grond doordringt.

De afgelegde afstand na impact noemen d, en constaterend dat de verandering in kinetische energie hetzelfde is als de potentiële zwaartekrachtenergie, kan de volledige formule worden uitgedrukt als:

Gemiddelde impactkracht \u003d mgh ÷ d
De berekening voltooien

Het moeilijkste deel om te berekenen wanneer u vallende objectkrachten berekent, is de afgelegde afstand. Je kunt dit schatten om een antwoord te bedenken, maar er zijn enkele situaties waarin je een steviger figuur kunt samenstellen. Als het object vervormt wanneer het stoot - bijvoorbeeld een stuk fruit dat breekt als het de grond raakt - kan de lengte van het deel van het object dat vervormt als afstand worden gebruikt.

Een vallende auto is een ander voorbeeld omdat de voorkant verkreukelt door de impact. Ervan uitgaande dat het verfrommelt in 50 centimeter, dat is 0,5 meter, is de massa van de auto 2.000 kg en valt het vanaf een hoogte van 10 meter. Het volgende voorbeeld laat zien hoe de berekening moet worden voltooid. Vergeet niet dat de gemiddelde slagkracht \u003d mgh ÷ d, u zet de voorbeeldcijfers op hun plaats:

Gemiddelde slagkracht \u003d (2000 kg × 9,81 ms ^{- 2 × 10 m) ÷ 0,5 m \u003d 392.400 N \u003d 392.4 kN}

Waar N het symbool is voor een Newton (de eenheid van kracht) en kN betekent kilo-Newton of duizenden Newton.

Tips