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“Toda nuestra ciencia, comparada con la realidad, es primitiva e infantil... y sin embargo es lo más preciado que tenemos”. Albert Einstein” Momento Lineal y Choques La partícula 1 se mueve bajo la acción de la fuerza F12 que ejerce la partícula 2. La partícula 2 se mueve bajo la acción de Momento o cantidad de movimiento lineal. la fuerza F21 que ejerce la partícula 1. La tercera ley de Newton o Principio de Acción y Reacción establece que ambas fuerzas tendrán que ser iguales y de signo contrario. El término cantidad de movimiento puede traerle a la mente un jugador de fútbol que corre por el campo, y avienta a otros jugadores que están tratando de detenerlo. O tal vez ud ha oído a alguien decir que un equipo perdió su momento (y también el juego). Tales expresiones comunes nos dan una idea del significado de momento. Estas expresiones sugieren la idea de masa en movimiento y, por consiguiente, de inercia. Tendemos a pensar que los objetos pesados o masivos en movimiento como que tienen una gran cantidad de movimiento, aun si se mueven con mucha lentitud. F12 F21 0 (5) Aplicando la segunda ley de Newton a cada una de las partículas El concepto de momento nos conduce a una segunda ley de conservación, la de la conservación de momento. Esta ley es muy útil para solucionar problemas que incluyen choques entre objetos, y para analizar la propulsión de cohetes. De acuerdo a la segunda ley de Newton se relaciona el momento lineal de una partícula a la fuerza resultante que actúa sobre ella: La tasa de cambio en el tiempo del momento lineal de una partícula es igual a la fuerza resultante que actúa sobre la partícula. Es decir: Figura 1 F ma , consideremos una partícula de masa constante (m) dv d dv Puesto que : a implica F m (mv ) (1) dt dt dt La fuerza neta F que actúa sobre una partícula es igual a la rapidez de cambio de la combinación mv . dp1 dp2 d p1 p2 0 dt dt dt p1o p2o p1 f p2 f (7) Se conoce como la ley de conservación del momento lineal pox = pfx poy = pfy poz = pfz Ejemplo 1: Cuál es la cantidad de movimiento de cada uno de los sistemas de partículas ilustrados en la figura 2 p mv (2) El momento es una cantidad vectorial porque es igual al producto de una cantidad escalar por un vector. Sus dimensiones son ML/T. La unidad en el SI es kg.m/s. La ecuación (2) en (1): (3) por lo tanto ptot p1 p2 = constante, es decir : Definición: El momento lineal de una partícula de masa m que se mueve con una velocidad v se define como el producto de la masa y la velocidad: dp F dt (6) (la segunda ley de Newton en términos de cantidad de movimiento) Si p se mueve en el espacio entonces, tendrá tres componentes: px = mvx py = mvy pz = mvz (4) El momento lineal es constante cuando F = 0. Desde luego la partícula esta aislada, entonces necesariamente, F = 0 y p permanece invariable Conservación partículas. del momento para un sistema de dos Considérese dos partículas que pueden interactuar entre sí pero que están aisladas de los alrededores. Las partículas se mueven bajo su interacción mutua pero no hay fuerzas exteriores al sistema presente. figura 2 1 Profesores: Luis Hernando Blandón D. Carlos Alberto Angulo. Física1 t2 J Fdt a. La cantidad de movimiento total de un sistema es el vector suma de las cantidades de movimientos de las partículas individuales: t1 (10) (Definición general de impulso) Podemos definir una fuerza neta media Fmed tal que aun si pt = p1+ p2 = (2)i + (3)i = (5.0kg-m/s)x dirección +x F no es constante, el impulso esté dado por: b) calculo total en dirección x e y px = p1 + p2 = (5)i– (8)i = -(3.0kg-m/s)i py = p3 = (4.0 kg-m/s)j dirección +y por lo tanto: J Fmed t2 t1 (11) p = pxi + py j p px2 py2 (3)2 (4)2 p= 5.0 kg-m/s 4 tan 1 1270 ó 53,00 sentido horario 3 Una cantidad íntimamente relacionada con la cantidad de movimiento: el impulso. Consideremos primero una partícula sobre la que actúa una fuerza neta F constante, durante un Figura 3 En la figura 3 muestra una fuerza neta en función del tiempo durante un choque. La componente x del impulso durante este intervalo está representada por el área no rectangular, la curva entre t1 y t2 es igual al área rectangular delimitada por t1 y t2 y Fmed-x, así que Fmed-x(t2- t1) es igual al impulso de la fuerza variable real durante el mismo intervalo. tiempo t de t1 a t2. El impulso de la fuerza denotado J se define como el producto de la fuerza neta y el intervalo de tiempo. p F t Ft p donde t t2 t1 entonces: F t2 t1 p donde F t2 t1 F t J (8) Impulso en forma de componentes: Suponiendo una fuerza constante. En el S.I : J N.s med y 2 t1 p2 x p1x mv2 x mv1x t1 p2 y p1 y mv2 y mv1 y mˆ m i y v f 3,50 iˆ s s p f mv f 1800 3,50 6,3 103 kg.m / s El impulso es: J p f po 6,3 103 kg.m / s 3, 6 104 kg.m / s J 4, 23 104 kg.m / s La fuerza promedio ejercida sobre el automóvil es. Fmed Despejando dp en la definición de fuerza e integrando 4, 23 104 kg.m / s 0,16 Fmed 2, 64 105 N 2 2 po mvo (1800)(20) 3,6 104 kg.m / s Este teorema también se cumple si las fuerzas no son constantes. La segunda ley de Newton es un caso particular de la definición de fuerza, cuando la masa de la partícula es constante. t2 y Teorema del impulso y la cantidad de movimiento t1 x Si el choque dura 0,16 s, encuentre el impulso debido a éste y la fuerza promedio ejercida sobre el automóvil. Los momento inicial: t1 p2 p1 J p2 p1 (9) med F dt F t son: vo 20, 0 2 Fdt dp Fdt p x Un automóvil de 1 800 kg de masa choca contra una pared, como muestra en la figura 4. Las velocidades iniciales y finales p2 p1 t2 t1 dp F dt t2 F dt F t Ejemplo 2: intervalo t t2 t1 : F t Jy t1 dp es igual al cambio total de la cantidad de movimiento y es dt constante ya que F es constante, p2 p1 durante el t2 t1 Según la segunda ley de Newton la ecuación (3) : F Jx p1 Figura 4 2 Profesores: Luis Hernando Blandón D. Carlos Alberto Angulo. Física1 Colisiones: El término choque representa el evento de dos partículas que se aproximan entre sí durante un breve tiempo y que por eso produce fuerzas impulsivas una sobre la otra. La fuerza debida la choque se supone mucho mayor que cualquier fuerza externa presente. En ambos casos ocurre una variación de la energía cinética que se transformará en calor que disiparán los cuerpos. 1 - Choque perfectamente inelástico a) Velocidades de igual dirección y sentido. Colisiones: Se puede decir que es el contacto físico entre dos objetos, cuando uno de ellos encuentra en su camino a otro, así produciéndose dicho contacto figura 5 Figura 7 Supongamos un cuerpo 1 de masa m1 y velocidad v1 que se dirige a hacia el cuerpo 2 de masa m2 y velocidad v2, siendo ambas velocidades de igual dirección y sentido. Sobre cada cuerpo actuó en el momento del choque, el impulso que le provocó el otro cuerpo, entonces hay dos acciones de igual intensidad y sentido contrario, en consecuencia ambas cantidades de movimiento serán iguales y de sentido contrario. Luego del choque ambos cuerpos continúan juntos con una velocidad final común a ambos. Figura 5 En la situación de la figura 1 resulta común, cuando se trata de dos objetos macroscópicos, como el caso de dos bolas de billar o una pelota de béisbol y el bate. A nivel microscópico no hay claridad con el concepto “contacto”, para comprender la diferencia entre colisiones macroscópicas y microscópicas consideremos el caso de una colisión de un protón con una partícula alfa (el núcleo de un átomo de helio) figura 6. Antes después m1.v1i + m2.v2i = (m1 + m2).vf vf = (m1.v1i + m2.v2i)/(m1 + m2) Figura 8 b) Velocidades de igual dirección y sentido contrario. En este caso los cuerpos poseían velocidades de igual dirección pero de sentido contrario antes del choque, como en el caso anterior luego del impacto continúan juntos, con una velocidad final que estará dada por la diferencia de las cantidades de movimiento. La velocidad final será: Figura 6 Como las dos partículas están cargadas positivamente, nunca hay contacto físico entre ellas en lugar de eso se repelen entre sí debido a la intensa fuerza electrostática entre ellas. Choques elásticos e inelásticos en una dimensión: vf = (m1.v1i - m2.v2i)/(m1 + m2) Al producirse el choque también se producen deformaciones en ambos cuerpos, éstas pueden desaparecer de inmediato o perdurar. Si las deformaciones desaparecen rápidamente significa que se ha producido un choque elástico, por el contrario, si permanecen se ha producido un choque inelástico o plástico. Un choque inelástico se produce cuando la energía cinética total no es constante (aún cuando el momento es constante). El choque de una pelota contra una superficie dura, el choque es inelástico, ya que la en parte la enegía cinética de la pelota se pierde cuando ésta se deforma mientras está en contacto con la superficie. Si dos objetos colisionan y después permanecen unidos, una parte de energía cinética se pierde, y el choque se conoce como perfectamente inelástico, es el caso del choque de dos vehículos, quedan enganchados y se mueven con cierta velocidad común después del choque. La velocidad final mantendrá la misma dirección pero tendrá el sentido de la velocidad del cuerpo que antes del choque tenga más cantidad de movimiento. 2 - Choque elástico Figura 9 En este caso, tanto el momento como la energía cinética son constantes por consiguiente, podemos escribir: 3 Profesores: Luis Hernando Blandón D. Carlos Alberto Angulo. Física1 m1v1i m2 v2i m1v1 f m2 v2 f m )(2, 2s)= 0,944 m s m x2 v2 f t (0,571 )(2, 2s)=1,26 m s y x1 v1 f t (0, 429 1 1 1 1 m1v12i m2 v22i m1v12f m2 v22 f 2 2 2 2 De acuerdo a los dos ecuaciones anteriores si se conoce las masas y velociades iniciales de ambas partículas, entonces: m m2 2m2 v1 f 1 v1i v2i m1 m2 m1 m2 (a ) 2m1 v2 f m1 m2 (b) m2 m1 v1i v2i m1 m2 x x2 x1 1,26 m (0,944 m)=2,20 m Los objetos se encuentran están 2,20 m de distancia en ese momento. Para las colisiones tanto elásticas como inelásticas, se deben tener en cuenta las siguientes condiciones: Consideremos algunos casos especiales: 1) si m1 = m2 entonces: v1f = v2i y v2f = v1i hay intercambio de velocidades. 2) Si m2 esta en reposo, v2i = 0, (ver figura 10) entonces : m m2 v1 f 1 v1i m1 m2 (c ) 2m1 v2 f m1 m2 (d ) v1i 1. En una colisión elástica, la energía cinética total se conserva., esto es: K f Ko 2. En las colisiones inelásticas, la energía cinética total no se conserva. Por ejemplo uno o más de los objetos en colisión no regresan a su forma original, de modo que se ha realizado un trabajo y se ha perdido parte de la energía cinética. Ktotal después K total antes Kf Ko En el caso que: figura 11 Antes m1.v1i + 0 después (m1 + m2).vf = m1 vF v1i m1 m2 Figura 10 Ejemplo: Una bola de 0,20 kg va con una rapidez de 1,0 m/s en la dirección positiva x tiene una colisión elástica con un objeto estacionario de 0,50 kg localizado en x = 0 ¿Cuál es la distancia que separa los objetos 2,2 s después de colisión?. Ahora consideremos cuánta energía cinética se ha perdido. Inicialmente, 1 m1v12i , y finalmente, después de la 2 colisión, Kf Solución: Como el segundo objeto es estacionario entonces utilizamos la ecuaciones (c) y (d) m m2 v1 f 1 m1 m2 Eco m1 1 (m1 m2 )v 2F ,como vF 2 m1 m2 v1i entonces: 2 m 1v1i 1 1 K f (m1 m2 )v 2F (m1 m2 ) 2 2 m1 m2 1 2 2 m 1 v1i m1 m1 1 Kf 2 m1v12i Ko m1 m2 2 m1 m2 m1 m2 0, 20kg 0,50kg m m v1i 1, 0 0, 429 0, 20kg 0,50kg s s 2 0, 20kg m 2m1 m v2 f 1, 0 0,571 v1i s s m1 m2 0, 20kg 0,50kg Y Kf Los objetos se separan después de la colisión y sus posiciones son: Ko 4 m1 m1 m2 Profesores: Luis Hernando Blandón D. Carlos Alberto Angulo. Física1