¿Qué es la colisión elástica?

¿Alguna vez te has preguntado qué sucede cuando dos objetos chocan entre sí? ¿Qué pasa con la cantidad de movimiento y la energía cinética antes y después de la colisión? En este artículo, exploraremos el fascinante mundo de la colisión elástica y cómo afecta a diferentes aspectos de nuestra vida cotidiana. Descubre por qué es importante entender la ley de conservación de la cantidad de movimiento y la energía cinética y cómo se aplican en situaciones reales. Además, te presentaremos algunos experimentos para que puedas experimentar la colisión elástica de primera mano. ¡Así que continúa leyendo para aprender más!

Qué es una colisión elástica

Una colisión elástica es aquella en la que no se pierde energía cinética. En otras palabras, después de la colisión, los objetos implicados se separan sin haber sufrido deformaciones permanentes. Durante una colisión elástica, la cantidad de movimiento total y la energía cinética total de los objetos se conservan.

Imagínate dos coches de choque en una feria. Cuando chocan, rebotan en direcciones opuestas sin deformarse. Esto es un ejemplo de colisión elástica, donde tanto la cantidad de movimiento total como la energía cinética total se mantienen constantes.

Leyes de conservación en la colisión elástica

Hay dos leyes fundamentales de la física que se aplican a la colisión elástica: la conservación de la cantidad de movimiento y la conservación de la energía cinética.

La conservación de la cantidad de movimiento establece que la cantidad total de movimiento antes de la colisión es igual a la cantidad total de movimiento después de la colisión. Esto significa que si tenemos dos objetos que se están moviendo y chocan elásticamente, la suma de sus momentos lineales antes de la colisión será igual a la suma de sus momentos lineales después de la colisión.

En cuanto a la conservación de la energía cinética, esta ley establece que la energía cinética total de un sistema antes de la colisión es igual a la energía cinética total después de la colisión. Esto significa que la suma de las energías cinéticas individuales de los objetos antes de la colisión es igual a la suma de las energías cinéticas individuales después de la colisión.

Ecuaciones de la colisión elástica

Hay fórmulas específicas que nos permiten calcular la cantidad de movimiento y la energía cinética antes y después de una colisión elástica.

La fórmula para la cantidad de movimiento antes de la colisión es:

momento1 + momento2 = momento1_final + momento2_final

Y la fórmula para la energía cinética antes de la colisión es:

energia_cinetica1 + energia_cinetica2 = energia_cinetica1_final + energia_cinetica2_final

Estas ecuaciones nos permiten resolver problemas relacionados con la colisión elástica y determinar las velocidades finales de los objetos después del choque.

Ejemplos de colisión elástica

Para entender mejor cómo funciona la colisión elástica, veamos algunos ejemplos.

Ejemplo 1: Colisión entre dos billaristas

Imaginemos dos billaristas jugando una partida mientras tú observas. Uno de ellos golpea la bola blanca con su taco y esta choca contra la bola roja. ¿Qué sucede después?

Usando las leyes de conservación, podemos calcular la cantidad de movimiento y la energía cinética antes y después de la colisión. Supongamos que la bola blanca se mueve a una velocidad de 2 m/s antes de la colisión y que la bola roja está en reposo.

Después del choque, la bola blanca se detiene y la bola roja se mueve a una velocidad de 2 m/s en la dirección opuesta. ¿Cómo es esto posible?

Aplicando las leyes de conservación, podemos obtener los siguientes resultados:

momento1 = momento1_final + momento2_final

0 = masa1 * velocidad1_final + masa2 * velocidad2_final

energia_cinetica1 + energia_cinetica2 = energia_cinetica1_final + energia_cinetica2_final

(1/2) * masa1 * (velocidad1)^2 + 0 = (1/2) * masa1 * (velocidad1_final)^2 + (1/2) * masa2 * (velocidad2_final)^2

Resolviendo estas ecuaciones, encontraremos que la velocidad final de la bola roja es de 2 m/s en dirección opuesta y la velocidad final de la bola blanca es de 0 m/s.

Esto significa que la bola blanca se detiene por completo después de chocar con la bola roja, mientras que la bola roja adquiere la misma velocidad que tenía inicialmente la bola blanca. ¡Impresionante, verdad?

Ejemplo 2: Colisión entre dos bolas de billar

Ahora consideremos un escenario en el que dos bolas de billar de igual masa se están moviendo en línea recta hacia una colisión elástica. Supongamos que la bola 1 se mueve a 4 m/s hacia la derecha y la bola 2 se mueve a 2 m/s hacia la izquierda.

Después de la colisión, las bolas rebotarán en direcciones opuestas. ¿Cuáles serán sus velocidades finales?

Aplicando las leyes de conservación, podemos obtener los siguientes resultados:

momento1 + momento2 = momento1_final + momento2_final

(masa1 * velocidad1) + (masa2 * velocidad2) = (masa1 * velocidad1_final) + (masa2 * velocidad2_final)

energia_cinetica1 + energia_cinetica2 = energia_cinetica1_final + energia_cinetica2_final

(1/2) * masa1 * (velocidad1)^2 + (1/2) * masa2 * (velocidad2)^2 = (1/2) * masa1 * (velocidad1_final)^2 + (1/2) * masa2 * (velocidad2_final)^2

Resolviendo estas ecuaciones, encontraremos que la velocidad final de la bola 1 es de 2 m/s hacia la izquierda y la velocidad final de la bola 2 es de 4 m/s hacia la derecha.

Esto significa que las bolas intercambian sus velocidades después de la colisión. La bola 1 se mueve ahora a la velocidad original de la bola 2 y viceversa.

Aplicaciones de la colisión elástica en la vida cotidiana

La colisión elástica tiene diversas aplicaciones en la vida cotidiana. Veamos dos ejemplos que resaltan su importancia.

Aplicación 1: Accidentes automovilísticos

En el caso de los accidentes automovilísticos, la colisión elástica puede tener un impacto significativo en la seguridad de los pasajeros. Si dos vehículos chocan entre sí, la ley de conservación de la cantidad de movimiento y la energía cinética asegura que la energía cinética total no se pierda. Esto significa que la energía del impacto se distribuye entre los vehículos involucrados y ayuda a reducir la gravedad de las lesiones.

Por ejemplo, si un coche en movimiento choca con otro coche que está en reposo, la cantidad de movimiento total antes del choque es igual a la cantidad de movimiento total después del choque. Esto significa que el coche en movimiento se detendrá por completo después de la colisión, evitando que los pasajeros sufran lesiones graves debido al impacto.

Aplicación 2: Deportes

En muchos deportes, como el fútbol o el baloncesto, se producen colisiones elásticas constantemente. Estas colisiones elásticas influyen en el resultado de los movimientos y las jugadas.

Por ejemplo, cuando un jugador golpea un balón con el pie, la colisión elástica entre el balón y su pie hace que el balón se mueva en la dirección opuesta con una velocidad determinada. Esto es crucial para controlar el juego y lograr un gol o una canasta.

Experimentos para demostrar la colisión elástica

Si quieres ver la colisión elástica en acción, puedes realizar algunos experimentos simples y divertidos.

Experimento 1: Colisión entre dos carritos de juguete

Materiales necesarios:

• Dos carritos de juguete
• Pista de carreras o superficie lisa

Procedimiento paso a paso:

1. Coloca los dos carritos de juguete en la pista de carreras o en una superficie lisa.
2. Hazlos chocar entre sí moviéndolos en direcciones opuestas.
3. Observa cómo rebotan después de la colisión.

Observaciones y conclusiones:

Después de la colisión, los carritos deberían rebotar en direcciones opuestas sin sufrir deformaciones. Esto demuestra la conservación de la cantidad de movimiento y la energía cinética en una colisión elástica.

Experimento 2: Colisión entre dos bolas en un tubo de Newton

Materiales necesarios:

• Un tubo de Newton
• Dos bolas de igual masa

Procedimiento paso a paso:

1. Coloca las dos bolas en el tubo de Newton en diferentes extremos.
2. Deja que la bola en un extremo caiga y observe cómo choca con la otra bola.
3. Observa cómo las bolas se separan después de la colisión.

Observaciones y conclusiones:

Después del choque, las bolas deberían separarse sin sufrir deformaciones y rebotar en direcciones opuestas. Esto demuestra la conservación de la cantidad de movimiento y la energía cinética en una colisión elástica.

Conclusiones

La colisión elástica es un fenómeno fascinante que ocurre cuando dos objetos chocan y conservan tanto la cantidad de movimiento como la energía cinética. Entender la ley de conservación de la cantidad de movimiento y la energía cinética es crucial en diversos contextos, como en la seguridad en carretera y en los deportes. Además, los experimentos ayudan a visualizar y comprender mejor este tipo de colisión.

Así que la próxima vez que veas una colisión entre objetos, recuerda que hay mucho más en juego de lo que parece a simple vista. La colisión elástica es un fenómeno asombroso que nos permite entender cómo interactúan los objetos y cómo la energía se conserva en diferentes situaciones. ¡Sigue explorando y descubriendo el fascinante mundo de la física!

Referencias bibliográficas

- Serway, R. A., & Jewett, J. W. (2013). Física para ciencias e ingeniería. Cengage Learning Editores.

- Halliday, D., Resnick, R., & Krane, K. S. (2001). Física. México: Pearson Educación.

- Thornton, S. T., & Marion, J. B. (2005). Classical dynamics of particles and systems. Brooks/Cole, Thomson Learning.