Calculer la force dans un large éventail de situations est crucial pour la physique. La plupart du temps, la deuxième loi de Newton (F = ma) est tout ce dont vous avez besoin, mais cette approche de base n'est pas toujours la façon la plus directe de s'attaquer à tous les problèmes. Lorsque vous calculez la force d'un objet qui tombe, il y a quelques facteurs supplémentaires à prendre en compte, notamment la hauteur de chute de l'objet et la rapidité avec laquelle il s'arrête. En pratique, la méthode la plus simple pour déterminer la force de l'objet qui tombe est d'utiliser la conservation de l'énergie comme point de départ.
Contexte: la conservation de l'énergie
La conservation de l'énergie est un concept fondamental en physique. L'énergie n'est pas créée ou détruite, juste transformée d'une forme en une autre. Lorsque vous utilisez l'énergie de votre corps (et en fin de compte la nourriture que vous avez mangée) pour ramasser une balle du sol, vous transférez cette énergie en énergie potentielle gravitationnelle; quand vous le relâchez, cette même énergie devient de l'énergie cinétique (en mouvement). Lorsque la balle frappe le sol, l'énergie est libérée comme le son, et certains peuvent également faire rebondir la balle. Ce concept est crucial lorsque vous devez calculer l'énergie et la force d'un objet qui tombe.
L'énergie au point d'impact
La conservation de l'énergie permet de calculer facilement la quantité d'énergie cinétique d'un objet juste avant le point d'impact. L'énergie vient du potentiel gravitationnel qu'elle a avant de tomber, donc la formule de l'énergie potentielle gravitationnelle vous donne toutes les informations dont vous avez besoin. C'est:
E = mgh
Dans l'équation, m est la masse de l'objet, E est l'énergie, g est l'accélération due à la pesanteur constante (9.81 ms - 2 ou 9,81 mètres par seconde au carré), et h est la hauteur à laquelle l'objet tombe. Vous pouvez le faire facilement pour n'importe quel objet qui tombe tant que vous savez de quelle taille il est et de quelle hauteur il tombe. Le principe de l'énergie de travail Le principe de travail et de l'énergie est la dernière pièce du puzzle lorsque vous travaillez sur la force de l'objet qui tombe. Ce principe stipule que: Force d'impact moyenne × Distance parcourue = Changement d'énergie cinétique Ce problème nécessite la force d'impact moyenne, donc réarranger l'équation donne: Impact moyen force = Changement de l'énergie cinétique ÷ Distance parcourue La distance parcourue est la seule information restante, et c'est simplement la distance que l'objet parcourt avant de s'arrêter. Si elle pénètre dans le sol, la force d'impact moyenne est plus petite. Parfois, cela s'appelle la «distance de ralentissement de la déformation», et vous pouvez l'utiliser lorsque l'objet se déforme et s'arrête, même s'il ne pénètre pas dans le sol. Appeler la distance parcourue après l'impact d, et notant que le changement d'énergie cinétique est le même que l'énergie potentielle gravitationnelle, la formule complète peut être exprimée comme: Force d'impact moyenne = mgh ÷ d Compléter le calcul La partie la plus difficile à déterminer lorsque vous calculez les forces d'objets qui tombent est la distance parcourue. Vous pouvez estimer cela pour trouver une réponse, mais il y a des situations où vous pouvez mettre en place un chiffre plus ferme. Si l'objet se déforme lorsqu'il fait un impact - un fruit qui fracasse lorsqu'il heurte le sol, par exemple - la longueur de la partie de l'objet qui se déforme peut être utilisée comme distance. Une voiture qui tombe est un autre exemple parce que le front se fend de l'impact. En supposant qu'il se froisse en 50 centimètres, soit 0,5 mètre, la masse de la voiture est de 2 000 kg, et elle tombe d'une hauteur de 10 mètres, l'exemple suivant montre comment compléter le calcul. En rappelant que la force d'impact moyenne = mgh ÷ d, vous mettez en place les figures suivantes: Force d'impact moyenne = (2000 kg × 9,81 ms - 2 × 10 m) ÷ 0,5 m = 392,400 N = 392,4 kN Où N est le symbole d'un Newtons (l'unité de force) et kN signifie kilo-Newtons ou des milliers de Newtons. TL; DR (Trop long; Ne pas lire) Objets rebondissants Travailler sur la force d'impact quand l'objet rebondit après est beaucoup plus difficile. La force est égale au taux de changement d'impulsion, donc pour ce faire, vous devez connaître l'élan de l'objet avant et après le rebond. En calculant le changement de dynamique entre la chute et le rebond et en divisant le résultat par le temps écoulé entre ces deux points, vous pouvez obtenir une estimation de la force d'impact.
