O cálculo da força em uma ampla gama de situações é crucial para a física. Na maioria das vezes, a segunda lei de Newton (F = ma) é tudo que você precisa, mas essa abordagem básica nem sempre é a maneira mais direta de lidar com todos os problemas. Quando você está calculando a força de um objeto caindo, há alguns fatores extras a serem considerados, incluindo o quão alto o objeto está caindo e a rapidez com que ele pára. Na prática, o método mais simples para determinar a força-objeto em queda é usar a conservação de energia como ponto de partida.

Histórico: A conservação da energia

A conservação da energia é um conceito fundamental na física. A energia não é criada ou destruída, apenas transformada de uma forma para outra. Quando você usa a energia do seu corpo (e, finalmente, a comida que comeu) para pegar uma bola no chão, você transfere essa energia para energia potencial gravitacional; quando você a libera, essa mesma energia se torna energia cinética (em movimento). Quando a bola atinge o solo, a energia é liberada como som, e alguns também podem fazer com que a bola retorne. Esse conceito é crucial quando você precisa calcular a energia e a força do objeto em queda.

A energia no ponto de impacto

A conservação de energia facilita a determinação da quantidade de energia cinética que um objeto possui pouco antes do ponto de impacto. A energia vem do potencial gravitacional que ela tem antes de cair, então a fórmula da energia potencial gravitacional dá a você toda a informação que você precisa. É:

E = mgh

Na equação, m é a massa do objeto, E é a energia, g é a aceleração devida à constante da gravidade (9,81 ms ^{- 2 ou 9,81 metros por segundo ao quadrado) eh é a altura da qual o objeto cai. Você pode resolver isso facilmente para qualquer objeto que caia, contanto que você saiba o quão grande é e quão alto ele caia.}

O Princípio da Energia no Trabalho

O princípio do trabalho-energia é a última peça do quebra-cabeça quando você está trabalhando a força do objeto caindo. Este princípio declara que:

Força média de impacto × Distância percorrida = Mudança na energia cinética

Este problema precisa da força média de impacto, então rearranjar a equação dá:

Impacto médio força = Mudança na energia cinética ÷ Distância percorrida

A distância percorrida é a única informação restante, e isso é simplesmente o quão longe o objeto viaja antes de parar. Se penetra no solo, a força média de impacto é menor. Às vezes isso é chamado de "distância de desaceleração de deformação", e você pode usá-lo quando o objeto se deforma e pára, mesmo que não penetre no chão.

Chamando a distância percorrida após o impacto d, e observando que a mudança na energia cinética é a mesma que a energia potencial gravitacional, a fórmula completa pode ser expressa como:

Força de impacto média = mgh ÷ d

Completando o cálculo

A parte mais difícil de calcular quando você calcula as forças dos objetos em queda é a distância percorrida. Você pode estimar isso para chegar a uma resposta, mas existem algumas situações em que você pode montar uma figura mais firme. Se o objeto deforma quando faz impacto - um pedaço de fruta que se espatifa ao atingir o chão, por exemplo - o comprimento da porção do objeto que se deforma pode ser usado como distância.

Um carro caindo é outro exemplo, porque a frente se amassa devido ao impacto. Supondo que ele se amassa em 50 centímetros, que é de 0,5 metro, a massa do carro é de 2.000 kg, e é descartada a uma altura de 10 metros, o exemplo a seguir mostra como completar o cálculo. Lembrando que a força de impacto média = mgh ÷ d, você coloca os números de exemplo no lugar:

Força de impacto média = (2000 kg × 9,81 ms ^{- 2 × 10 m) ÷ 0,5 m = 392,400 N = 392,4 kN}

Onde N é o símbolo para um Newtons (a unidade de força) e kN significa quilo-Newtons ou milhares de Newtons.

TL; DR (Demasiado Longo; Não lidos)
Objetos saltantes

Trabalhar a força do impacto quando o objeto saltar depois é muito mais difícil. A força é igual à taxa de mudança do momento, então para fazer isso você precisa saber o momento do objeto antes e depois do salto. Ao calcular a mudança no momento entre a queda e o salto e dividir o resultado pela quantidade de tempo entre esses dois pontos, você pode obter uma estimativa para a força de impacto.