En física , una colisión es cualquier evento en el que dos o más cuerpos ejercen fuerzas entre sí en un tiempo relativamente corto. Aunque el uso más común de la palabra colisión se refiere a incidentes en los que dos o más objetos chocan con gran fuerza, el uso científico del término no implica nada sobre la magnitud de la fuerza. [1]
Una colisión es una interacción de corta duración entre dos cuerpos o más de dos cuerpos simultáneamente que provoca un cambio en el movimiento de los cuerpos involucrados debido a las fuerzas internas que actúan entre ellos durante la misma. Las colisiones involucran fuerzas (hay un cambio en la velocidad ). La magnitud de la diferencia de velocidad justo antes del impacto se denomina velocidad de cierre . Todas las colisiones conservan el momento . Lo que distingue a los diferentes tipos de colisiones es si también conservan la energía cinética del sistema antes y después de la colisión. Las colisiones son de tres tipos:
El grado en que una colisión es elástica o inelástica se cuantifica mediante el coeficiente de restitución , un valor que generalmente oscila entre cero y uno. Una colisión perfectamente elástica tiene un coeficiente de restitución de uno; una colisión perfectamente inelástica tiene un coeficiente de restitución de cero. La línea de impacto es la línea que es colineal a la normal común de las superficies que están más próximas o en contacto durante el impacto. Esta es la línea a lo largo de la cual actúa la fuerza interna de colisión durante el impacto, y el coeficiente de restitución de Newton se define solo a lo largo de esta línea.
Las colisiones en gases ideales se aproximan a colisiones perfectamente elásticas, al igual que las interacciones de dispersión de partículas subatómicas que son desviadas por la fuerza electromagnética . Algunas interacciones a gran escala, como las interacciones gravitacionales de tipo tirachinas entre satélites y planetas, son casi perfectamente elásticas.
Las colisiones juegan un papel importante en los deportes de taco . Debido a que las colisiones entre bolas de billar son casi elásticas , y las bolas ruedan sobre una superficie que produce baja fricción de rodadura , su comportamiento se utiliza a menudo para ilustrar las leyes de movimiento de Newton . Después de una colisión de fricción cero de una bola en movimiento con una estacionaria de igual masa, el ángulo entre las direcciones de las dos bolas es de 90 grados. Este es un hecho importante que los jugadores de billar profesionales tienen en cuenta, [2] aunque supone que la bola se mueve sin ningún impacto de fricción a través de la mesa en lugar de rodar con fricción. Considere una colisión elástica en dos dimensiones de dos masas cualesquiera m 1 y m 2 , con velocidades iniciales respectivas u 1 y u 2 donde u 2 = 0 , y velocidades finales V 1 y V 2 . La conservación del momento da m 1 u 1 = m 1 V 1 + m 2 V 2 . La conservación de la energía para una colisión elástica da (1/2) m 1 | u 1 | 2 = (1/2) m 1 | V 1 | 2 + (1/2) m 2 | V 2 | 2 . Consideremos ahora el caso m 1 = m 2 : obtenemos u 1 = V 1 + V 2 y | u 1 | 2 = | V 1 | 2 + | V 2 | 2 . Tomando el producto escalar de cada lado de la ecuación anterior consigo mismo, | u 1 | 2 = u 1 • u 1 = | V 1 | 2 + | V 2 | 2 + 2 V 1 • V 2 . Comparando esto con la última ecuación obtenemos V 1 • V 2= 0, por lo que son perpendiculares a menos que V 1 sea el vector cero (lo que ocurre si y solo si la colisión es frontal).
En una colisión inelástica perfecta , es decir, con coeficiente de restitución cero , las partículas que chocan se fusionan . Es necesario tener en cuenta la conservación del momento:
donde v es la velocidad final, que por tanto viene dada por
La reducción de la energía cinética total es igual a la energía cinética total antes de la colisión en un sistema de centro de momento con respecto al sistema de dos partículas, porque en tal sistema la energía cinética después de la colisión es cero. En este sistema, la mayor parte de la energía cinética antes de la colisión es la de la partícula con la masa más pequeña. En otro sistema, además de la reducción de la energía cinética puede haber una transferencia de energía cinética de una partícula a la otra; el hecho de que esto dependa del sistema muestra cuán relativo es esto. Con el tiempo invertido tenemos la situación de dos objetos que se empujan uno a otro, p. ej. disparando un proyectil , o un cohete aplicando empuje (compárese la derivación de la ecuación del cohete de Tsiolkovsky ).
Las colisiones de la pata o el pie de un animal con el sustrato subyacente se denominan generalmente fuerzas de reacción del suelo. Estas colisiones son inelásticas, ya que la energía cinética no se conserva. Un tema de investigación importante en prótesis es la cuantificación de las fuerzas generadas durante las colisiones del pie con el suelo asociadas con la marcha tanto de personas discapacitadas como de personas sin discapacidad. Esta cuantificación generalmente requiere que los sujetos caminen sobre una plataforma de fuerza (a veces llamada "placa de fuerza"), así como un análisis cinemático y dinámico detallado (a veces llamado cinético).
La hipervelocidad es una velocidad muy alta , aproximadamente más de 3000 metros por segundo (11 000 km/h, 6700 mph, 10 000 ft/s o Mach 8,8). En particular, la hipervelocidad es una velocidad tan alta que la resistencia de los materiales al impactar es muy pequeña en comparación con las tensiones inerciales . [3] Por lo tanto, los metales y los fluidos se comportan de la misma manera bajo un impacto a hipervelocidad. Un impacto a hipervelocidad extrema da como resultado la vaporización del impactador y el objetivo. Para los metales estructurales, la hipervelocidad generalmente se considera superior a 2500 m/s (5600 mph, 9000 km/h, 8200 ft/s o Mach 7,3). Los cráteres de meteoritos también son ejemplos de impactos a hipervelocidad.
