Tengo una pregunta de física: si tuviera 400 J de energía cinética, impacta pero no penetra, ¿ejerce una fuerza de 400 N, Favg?

Answer 1

No hay material hecho de átomos (o tal vez cualquier otra cosa) que no se comprima o rompa cuando algo con impulso y energía cinética lo golpea. Si no se rompe, su superficie será desplazada por el impacto en la dirección del impacto. Si se desplaza muy poco, la fuerza promedio ejercida por el objeto que impacta será relativamente grande. Si se desplaza mucho, la fuerza promedio será pequeña.

Para calcular las fuerzas en tales casos, el momento suele ser más útil que la energía cinética. La fuerza promedio será el cambio de impulso (casi todo el impulso del objeto impactante llega a cero si golpea algo mucho más masivo como una pared) dividido por el tiempo de detención.

Por lo general, sería difícil medir los tiempos de parada con precisión porque a menudo son muy pequeños.

El tiempo de parada se puede calcular si tiene una buena estimación del desplazamiento total de las superficies impactantes. Esta vez es el desplazamiento dividido por la velocidad promedio durante el impacto.

Para una aceleración de frenado constante, la velocidad promedio es aproximadamente la mitad de la velocidad justo antes del impacto.

Para los 400 J de energía cinética, imagine un objeto golpeando a 10 m / s. La masa del objeto sería de 8.0 Kg. Su velocidad promedio en la parada sería de 5.0 m / s.

Considere un desplazamiento muy pequeño de las superficies de colisión de 1.0 x 10 ^ -4 m (0.10 mm). El tiempo de detención sería la distancia de detención dividida por la velocidad promedio o 1.0 x 10 ^ -4 m / 5.0 m / s = 2.0 x 10 ^ -5 s. La aceleración es el cambio en la velocidad sobre el cambio en el tiempo o 5.0 x 10 ^ 5 m / s ^ 2. ¡Para un objeto de 8.0 Kg, F = ma da 4.0 millones de Newtons!

Repita esto para un desplazamiento de impacto general de 1.0 m, para obtener sus 400 N.

Repita nuevamente para un desplazamiento de 10 m para obtener una fuerza de impacto promedio de 40 N.

Claramente, no existe una relación fija entre la energía cinética de impacto y la fuerza de impacto promedio.

Para aquellos que imaginan un impacto sin desplazamiento de las superficies de impacto, la fuerza de impacto promedio sería infinita. Esto simplemente no puede suceder.

Answer 2

La energía no “impacta”. La energía funciona. Pero para calcular las fuerzas involucradas, necesita más información.

Digamos, tu [math] 400 ~ {\ rm J} [/ math] acelera una masa [math] m = 2 ~ {\ rm kg} [/ math]. ¿Acelerar a qué velocidad? Sería [math] 20 ~ {\ rm m} / {\ rm s} [/ math]. ¿Y cuánto tiempo llevará? Si es [math] 1 ~ {\ rm s} [/ math], entonces la aceleración es [math] a = 20 ~ {\ rm m} / {\ rm s} ^ 2 [/ math]. Por lo tanto, la fuerza, [matemática] F = ma = 40 ~ {\ rm N} [/ matemática]. Pero si la aceleración tomó 2 segundos, entonces [matemática] a = 10 ~ {\ rm m} / {\ rm s} ^ 2 [/ matemática], y [matemática] F = 20 ~ {\ rm N} [/ matemática ] O, si la aceleración es casi instantánea, completada en, por ejemplo, [math] 1 ~ {\ rm ms} [/ math], entonces [math] a = 2 \ times 10 ^ 4 ~ {\ rm m} / {\ rm s} ^ 2 [/ math] y [math] F = 80 ~ {\ rm kN} [/ math].

Entonces la energía no se traduce directamente en fuerza. También necesita saber el tiempo (o distancia) durante el cual se hace esa energía para hacer su trabajo.