Cálculo de la fuerza en una amplia gama de situaciones es crucial para la física. La mayoría de las veces, la segunda ley de Newton (F = ma) es todo lo que necesita, pero este enfoque básico no siempre es la forma más directa de abordar cada problema. Cuando calcula la fuerza de un objeto que cae, hay algunos factores adicionales que debe tener en cuenta, como qué tan alto está cayendo el objeto y qué tan rápido se detiene. En la práctica, el método más simple para determinar la fuerza del objeto que cae es utilizar la conservación de la energía como punto de partida.
Antecedentes: la conservación de la energía
La conservación de la energía es un concepto fundamental en física. La energía no se crea o destruye, simplemente se transforma de una forma a otra. Cuando usas la energía de tu cuerpo (y en última instancia la comida que has comido) para recoger una pelota del suelo, estás transfiriendo esa energía a energía potencial gravitatoria; cuando lo liberas, esa misma energía se convierte en energía cinética (en movimiento). Cuando la pelota golpea el suelo, la energía se libera como sonido, y algunos también pueden hacer que la pelota rebote una copia de seguridad. Este concepto es crucial cuando se necesita calcular la fuerza y la energía del objeto que cae.
La energía en el punto de impacto
La conservación de la energía hace que resulte fácil calcular cuánta energía cinética tiene un objeto justo antes del punto de impacto. Toda la energía proviene del potencial gravitatorio que tiene antes de caer, por lo que la fórmula de energía potencial gravitacional le brinda toda la información que necesita. Es:
E = mgh
En la ecuación, m es la masa del objeto, E es la energía, g es la aceleración debida a la constante de gravedad (9.81 ms - 2 o 9.81 metros por segundo al cuadrado), y h es la altura desde la que cae el objeto. Puedes resolver esto fácilmente para cualquier objeto que caiga mientras sepas qué tan grande es y de qué altura cae. El Principio Trabajo-Energía El principio trabajo-energía es la última pieza del rompecabezas cuando estás trabajando en la fuerza del objeto que cae. Este principio establece que: Fuerza de impacto promedio × Distancia recorrida = Cambio en la energía cinética Este problema necesita la fuerza de impacto promedio, por lo que reorganizar la ecuación da: Impacto promedio fuerza = Cambio en la energía cinética ÷ Distancia recorrida La distancia recorrida es la única información restante, y esto es simplemente cuánto viaja el objeto antes de detenerse. Si penetra en el suelo, la fuerza de impacto promedio es menor. A veces esto se denomina "distancia de desaceleración de la deformación", y puede usarlo cuando el objeto se deforma y se detiene, incluso si no penetra en el suelo. Llamando a la distancia recorrida después del impacto d, y observando que el cambio en la energía cinética es igual que la energía potencial gravitacional, la fórmula completa se puede expresar como: Fuerza de impacto promedio = mgh ÷ d Completar el cálculo La parte más difícil de resolver cuando calcula las fuerzas de los objetos que caen es la distancia recorrida. Puede estimar esto para obtener una respuesta, pero hay algunas situaciones donde puede armar una figura más firme. Si el objeto se deforma cuando impacta - una pieza de fruta que se rompe al golpear el suelo, por ejemplo - la longitud de la porción del objeto que se deforma puede usarse como distancia. Un carro que cae es otro ejemplo porque el frente se arruga por el impacto. Suponiendo que se arruga en 50 centímetros, que es de 0,5 metros, la masa del automóvil es de 2,000 kg, y se deja caer desde una altura de 10 metros, el siguiente ejemplo muestra cómo completar el cálculo. Recordando que la fuerza de impacto promedio = mgh ÷ d, pone las figuras de ejemplo en su lugar: Fuerza de impacto promedio = (2000 kg × 9.81 ms - 2 × 10 m) ÷ 0.5 m = 392,400 N = 392,4 kN Donde N es el símbolo de un Newton (la unidad de fuerza) y kN significa kilo-Newton o miles de Newton. TL; DR (Demasiado largo; Did not Read) Objetos que se desprenden Trabajar la fuerza de impacto cuando el objeto rebota después es mucho más difícil. La fuerza es igual a la velocidad de cambio de momento, por lo que necesita conocer el impulso del objeto antes y después del rebote. Al calcular el cambio en el impulso entre la caída y el rebote y dividir el resultado por la cantidad de tiempo entre estos dos puntos, puede obtener un estimado de la fuerza de impacto.
