Aplicarea bruscă a X kilograme de forță este mai probabil să rupă un os decât aplicarea treptată a X kilograme de forță?

Cheia aici este ei vorbim despre un impact în care vorbiți despre forțe esențial statice.

Impacturile pot provoca daune mult mai mari decât o forță aplicată lent. Acest lucru se datorează faptului că materialul durează ceva timp să reacționeze la forță. Dacă o faceți încet, lucrurile au oportunități de a disipa cu ușurință o anumită energie ca sunet / căldură etc. Când o faceți foarte repede, această energie are mai puțin timp să se disipeze și poate provoca în schimb mai multă energie pentru a deforma materialul.

Dacă este ceva fragil precum oasele; această deformare suplimentară ar putea provoca o fractură sau o altă formă de eșec material.

Măsura ta de 8 kilograme este „statică”, deoarece corpul are mult timp pentru a reacționa, deoarece este redus încet.

Găsirea efectelor exacte în raport cu viteza ar necesita, de fapt, o analiză foarte aprofundată.

Comentarii

• Aceste nuanțe vor face cu adevărat o mare diferență pentru ceva greu ca un os? Încerc să risipesc o concepție greșită despre ceea ce forță ” forță ” înseamnă. Persoana cu care ‘ mă certez crede că o ” aplicație bruscă ” de 8 kilograme de forță face o n ” imensă ” diferență. ‘ spun că scăderea unei greutăți de 8 kilograme pe ceva conferă de fapt mult mai mult de 8 kilograme de forță, dar nu este ‘ t având oricare dintre ele. Se pare că confundă forța cu impulsul.
• Da, prietenul tău ar fi interesat de calculul forțelor de impuls (schimbarea impulsului împărțit la timpul în care are loc transferul de impuls) care va fi diferit de greutatea obiect. Aceasta este diferența în Falcon 9 care aterizează pur și simplu pe barjă față de Punching-ul Falcon la fel de distractiv al barjei, rezultând explozii, daune și în cele din urmă milioane de dolari. Picioarele Falcon 9 trebuie să fie proiectate pentru a rezolva forța impulsului în timpul aterizării și nu doar pentru greutate.
• @pete Împreună cu ceea ce a spus Rob, puteți privi și energia potențială / cinetică, unul care scade are, evident, mai multă energie decât unul care doar se odihnește pe stomac. De asemenea, puteți lua în considerare doar cel cu o viteză care trebuie să decelereze pentru a se opri. Această decelerare va trebui să provină din oasele tale și, după (și chiar și în timp), decelerează, va aplica în continuare greutatea ‘. Răspunsul meu este cu adevărat relevant doar pentru întrebarea din titlu, deoarece acest nu este ‘ t aproximativ 8 kilograme de forță. ‘ se referă la forța de impact a unei mase de 8 lire scăzute.
• Corect, eu ‘ încerc să ilustrează faptul că o masă de 8 lire poate conferi orice cantitate de forță, iar scăderea uneia conferă mult mai mult decât 8 lire sterline. Dar, mai important, că nu a avut sens ‘ să spună lucruri precum ” forță distribuită pe o perioadă mare de timp „, deoarece forța este o măsură instantanee; se gândea la ” impuls distribuit pe o perioadă mare de timp „.Dacă ați putea comenta cu privire la firul Quora, ar fi de asemenea util.
• De fapt, el a citat ca raționament: „În mecanică, un impact este o forță mare sau un șoc aplicat într-o perioadă scurtă de timp când doi sau mai mulți corpurile se ciocnesc. O astfel de forță sau accelerație are de obicei un efect mai mare decât o forță mai mică aplicată pe o perioadă proporțional mai lungă. ” Chiar și în cadrul acestui citat, al doilea scenariu are ” forță mai mică ” prin propria sa admitere, deci … din nou, este ‘ o confuzie cauzată de cuvântul ” pounds ” care poate fi folosit ca o greutate SAU o forță.

O parte din dificultatea discuțiilor despre această întrebare este utilizarea incorectă a vocabularului. Articolul reference.com prevede că „este nevoie de aproximativ 7 kilograme de presiune pentru a sparge o claviculă umană”. Șapte kilograme de presiune nu au niciun sens, deoarece kilograme sunt o măsură de forță, nu presiune. „Este ca și cum ați spune că o mașină are o viteză de 18 picioare. Ar fi mai logic să spunem că este nevoie de șapte kilograme pe inch pătrat de presiune pentru a sparge o claviculă umană – deși acest lucru mi se pare foarte scăzut. Un om poate exercita aproximativ 200 de kilograme de forță cu maxilarul atunci când mușcă cu molarii . Clavicula noastră poate fi un os mai slab decât maxilarul, dar nu de 15 ori mai slab.

Modul de a gândi la obiecte rigide sub sarcină, cel puțin ca aproximare, este ca un arc. Dacă aplicați o forță unui obiect, acel obiect se deformează ca răspuns: un arc se comprimă, un os se îndoaie, o masă se lasă Mai multă forță înseamnă mai multă deformare. Relația dintre forță și deformare este aproximată de legea lui Hooke: $ F = kx $, unde $ F $ este forța aplicată, $ x $ este distanța de înclinare, compresie sau îndoire , și $ k $ este o măsură a rigidității materialului. Granitul va avea o valoare mult mai mare de $ k $ decât cauciucul. Un alt lucru de remarcat este că, prin a treia lege a lui Newton, materialul sub sarcină exercită o forță de magnitudine egală împotriva sarcinii.

Acum, într-un material real, există o cantitate maximă de deformare înainte de ceva în structura internă se rupe și deformarea devine permanentă sau materialul se rupe în bucăți. Existența unei deformări maxime implică faptul că există o cantitate maximă de forță pe care o poate lua obiectul. Dacă puneți o greutate prea mare pe o masă, aceasta se rupe .

Aici este un videoclip cu cineva care dă cu piciorul la un birou cu consecințe hilar . Lovitura are loc la 1:08. Dar observați că la începutul videoclipului și la 0:36, cineva stă pe birou fără să facă rău (îmi place cum îi spune cineva tipului să pună ambele picioare pe birou, de parcă asta ar pune mai multă greutate pe el ). Aceasta înseamnă aproximativ 100-200 de kilograme de forță, deci cum poate un singur picior care călătorește cu viteză să spargă de fapt biroul?

Deoarece piciorul are masă, este nevoie de o forță pentru ao opri. Deoarece biroul nu poate crea o forță infinită, piciorul va continua să călătorească în birou după impactul inițial. Deoarece piciorul și biroul nu pot ocupa același spațiu, biroul se deformează pentru a face loc piciorului. Pentru ca biroul să supraviețuiască loviturii, trebuie să oprească piciorul înainte de a ajunge la punctul de rupere descris acum două paragrafe. Același lucru este valabil și pentru clavicule.

Să luăm în considerare momentul impactului, când călcâiul lovește prima dată biroul. În acest moment, biroul nu s-a deformat deloc, deci nu exercită nicio forță asupra piciorului . Piciorul continuă să se miște cu aceeași viteză. O clipă mai târziu, biroul a început să se aplece și astfel pune o forță pe picior, încetinindu-l. Dar, piciorul se mișcă în continuare. Pe măsură ce biroul se îndoaie mai mult și mai mult pe măsură ce piciorul continuă să se deplaseze în jos, forța pe care biroul o exercită asupra piciorului crește (Legea lui Hooke și Legea a treia a lui Newton), astfel încât piciorul încetinește din ce în ce mai repede. Aceasta este o cursă între:

1. forța crește suficient pentru a opri piciorul și
2. piciorul călătorește suficient de departe pentru a sparge biroul.

Dacă forța nu crește suficient de rapid, fie că piciorul este prea masiv, fie viteza inițială este prea mare, atunci piciorul se va mișca în continuare când a călătorit, deși deformarea maximă a biroului, provocând ruperea acestuia.

De ce stând pe un birou nr Nu-l rupe? În acest caz, biroul trebuie doar să oprească sarcina de a accelera în primul rând. Dacă greutatea nu provoacă deformări de rupere, atunci poate rezista. Oprirea unui obiect în mișcare pe o distanță mică poate necesita o cantitate de forță în mod arbitrar mare, independent de greutatea obiectului în mișcare. Acesta este motivul pentru care aruncați ceva pe picior doare mai mult decât a-l pune pe picior. Este necesară o forță mai mare pentru a opri obiectul decât pentru a împiedica mișcarea acestuia, iar o forță mai mare determină o compresie mai mare a piciorului.

Consultați Secțiunea tehnică de mai jos pentru matematică.

Clarificare

Am presupus că „aplicarea bruscă a forței” înseamnă un impact, ceea ce implică o coliziune a două obiecte la viteză. Dacă v-ați referit pur și simplu la schimbarea unei forțe foarte repede fără mișcare, atunci răspunsul este nu, nu va face mai multe daune decât o sarcină statică.

Pentru a vedea acest lucru, imaginați-vă o bilă de bowling atârnată de tavan de o frânghie. Așezați mâna pe partea inferioară a mingii de bowling astfel încât să se atingă, dar fără forță ascendentă. Dacă frânghia este tăiată brusc, vă puteți încorda mușchii și puteți opri mingea de bowling să înceapă să cadă fără să vă mișcați mâna. Mâna ta este în regulă, în ciuda aplicării bruște a forței asupra acesteia. Dacă ați încercat să faceți același lucru (opriți o bilă de bowling care cade cu mâna ținută nemișcată), dar cu bila de bowling începând la o înălțime deasupra mâinii, consecințele sunt evidente.

Pentru o aplicație practică, imaginați-vă să trageți o pușcă în două posturi. În prima poziție (și greșită), țineți capul pistolului la o mică distanță de umăr; în a doua poziție (corectă), apăsați ferm capul pistolului pe umăr. Prima poziție va fi supusă tuturor analizelor de mai sus, deoarece arma vă afectează umărul cu o viteză inițială, rezultând rănirea umărului în funcție de viteza reculului pistolului. Cu a doua poziție, forța de pe umăr este limitată de forța prafului de pușcă asupra gloanțelor. În funcție de mărimea forței, aceasta poate lăsa încă o vânătăi, deoarece $ k $ de carne este mai mică decât cea pentru os, dar există o limită superioară a forței, spre deosebire de impactul pistolului în prima poziție.

Secțiunea tehnică

Deoarece lovitura trebuie oprită la o anumită distanță, măsura corectă a potențialului de daune este energia cinetică, nu impulsul. Piciorul are o energie cinetică inițială la impactul de $$ K = \ frac {1} {2} mv ^ 2 $$ unde $ K $ este energia cinetică, $ m $ este masa piciorului și $ v $ este viteza sa. Aceasta este egală cu cantitatea de lucru pe care trebuie să o facă biroul pentru a opri piciorul, care pentru o primăvară este $$ W = \ frac {1} {2} kx ^ 2 $$ unde $ W $ este lucrarea (aceleași unități ca energie) și $ k $ și $ x $ sunt aceleași cantități din Legea lui Hooke de mai sus. Deoarece există o cantitate maximă de deformare ($ x_ {max} $) înainte de rupere, avem următoarea ecuație pentru a descrie starea pentru ruperea biroului: $$ \ frac {1} {2} mv ^ 2 > \ frac {1} {2} kx_ {max} ^ 2 $$ Rezolvare pentru $ v $: $$ v > x_ {max} \ sqrt {\ frac {k} {m}} $$ Din aceasta putem vedea că există o viteză care poate sparge biroul , indiferent de masa piciorului. Dacă această inegalitate este adevărată, atunci biroul nu poate face suficientă muncă pentru a opri piciorul înainte de rupere. Pentru a pune acest lucru în termeni de forțe, să înlocuim legea lui Hooke în ecuația originală : $$ \ frac {1} {2} mv ^ 2 = \ frac {1} {2} \ frac {F_ {max} ^ 2} {k} $$ unde $ F_ {max} $ forța exercitată de tabel la deformare maximă. Am trecut la egalitate de când vreau să știu ce se întâmplă când biroul supraviețuiește, adică $ W = K $. Rezolvarea pentru $ F_ {max} $ $$ F_ {max} = v \ sqrt {km} $$ Din aceasta putem concluziona că sarcina statică echivalentă pe un birou dintr-un impact poate fi arbitrar ridicată pe baza vitezei proiectilului .

Comentarii

• Tocmai asta încercam să demonstrez pe firul Quora. ‘ nu contează dacă 8 kilograme de forță sunt cauzate de o greutate de 8 lire stând nemișcată sau de o greutate de 1 lire care se prăbușește încet în el sau de o minge de ping pong care trage cu o viteză extraordinară ; va citi în continuare maxim 8 kilograme de forță. Și scăderea a 8 kilograme va fi cu mult mai mult de 8 kilograme de forță. Deci, dacă mă ridiculizează pentru ” Greutatea de 8 lbs de repaus ” critica revendicării de 8 lire, deoarece ” o forță rapidă are mai mult efect decât o forță graduală „, atunci el nu ‘ nu înțelege cu adevărat ce este forța deloc.