choques y colisiones

1. Momento lineal y choques
Física I

2. Contenido
• Momento lineal y su conservación
• Conservación de la cantidad de movimiento para
dos partículas
• Impulso y momento
• Colisiones
• Clasificación de las colisiones
• Colisiones perfectamente inelásticas
• Choques elásticos
• Colisiones en dos dimensiones
• Centro de masa
• Centro de masa de un objeto extendido
• Movimiento de un sistema de partículas

3. La cantidad de movimiento de una partícula se define como
el producto de la velocidad v por la masa de la partícula:
p = mv
La segunda ley de Newton establece que la fuerza sobre un
objeto es igual a la rapidez de cambio de la cantidad de
movimiento del objeto.
En términos de la cantidad de movimiento, la segunda ley de
Newton se escribe como:
dt
dp
F 
Momento líneal y su
conservación

4. Para dos partículas que
interactúan se cumple que:
dt
d 1
12
p
F 
dt
d 2
21
p
F 
De la tercera ley de
Newton, tenemos
que:
2112 FF 
Conservación de la cantidad de
movimiento para dos partículas
m1
m2
F12
F21
P1 = m1v1
P2 = m2v2

5. De aquí se obtiene que:
  021
21
 pp
pp
dt
d
dt
d
dt
d
Esto significa que: ptotal = p1 + p2 = constante
La ley de la conservación del momento lineal establece que
siempre que dos partículas aisladas interactúan entre sí, su
momento total permanece constante.

6. Impulso y momento
El impulso se define como el cambio en la cantidad de
movimiento de un cuerpo:
ppp
p
FI 





  12
2
1
tt
t
t
dt
dt
d
dt
El impulso de la fuerza F es igual
al cambio de momento de la
partícula.
El impulso es un vector que tiene
una magnitud igual al área bajo la
curva de fuerza-tiempo.
ti tf
t
F

7. La fuerza F que actúa en un tiempo muy corto, y se le llama
fuerza de impulso.
El impulso se puede escribir como: I = Fm t. Donde Fm es
la fuerza promedio durante el intervalo.
ti tf
t
F
Fm
Área = Fm t

8. Ejemplo
Una pelota de golf de 50 g es golpeada por un palo de golf y ésta alcanza
una distancia de 200m, calcule el impulso aplicado por el palo, suponga
un ángulo de 45° el la velocidad inicial.
g
v
R 0
2
0 sen2
El alcance esta dado por:
A B C
   mgxv CB 448.9200 
I = p = mvB – mvA = (0.050)(44) = 2.2 kg m/s
El alcance esta dado por:Si el tiempo de contacto
dura 4.5 x 10–4 s la
fuerza es:
F = I/t = 4900 N

9. Colisiones
Llamamos colisión a la interacción de dos (o más) cuerpos mediante una
fuerza impulsiva. Si m1 y m2 son las masas de los cuerpos, entonces la
conservación de la cantidad de movimiento establece que:
m1v1i + m2v2i = m1v1f + m2v2f
Donde v1i, v2i, v1f y v2f son las velocidades iniciales y finales de las masas
m1 y m2.
m1 m2
F12
F21
v1f
v1i
v2fv2i
antes
después

10. Ejemplo
Un automóvil de 1800 kg está detenido y es golpeado por atrás
por otro automóvil de 900 kg y los dos quedan enganchados. Si
el auto pequeño se movía a 20 m/s ¿cuál es la velocidad final de
los dos?
pi = m1v1i = (900)(20) = 18000 kg m/s
pf = m1vf + m2vf = (m1 + m2) vf = 2700 vf
vf = 18000/2700 = 6.67 m/s

11. Consideraremos colisiones en una dimensión.
Las colisiones se clasifican en:
Elásticas: cuando se conserva la energía cinética total, es decir:
Inelásticas: cuando parte de la energía cinética total se transforma en
energía no recuperable (calor, deformación, sonido, etc.).
Perfectamente inelásticas: cuando los objetos permanecen juntos
después de la colisión.
v1f = v2f
2
222
12
112
12
222
12
112
1
ffii vmvmvmvm 
Clasificación de las colisiones

12. Para colisiones perfectamente
inelásticas se cumple lo siguiente: 21
2211
21
mm
vmvm
vvv ii
ff



Si m2 está inicialmente en reposo,
entonces:
21
11
mm
vm
v i


Si m1» m2, entonces v  v1i.
Si m1« m2, entonces v  0.
Si v2i = v1i , entonces:
Si en este caso m1= m2, entonces: v = 0
iv
mm
mm
v 1
21
21



Colisiones perfectamente
inelásticas
m1 m2
v1i v2i
m1+m2
vf

13. En colisiones elásticas se conserva el momento y la energía total. Entonces se
tiene que:
y
2
222
12
112
12
222
12
112
1
ffii vmvmvmvm 
ffii vmvmvmvm 22112211 
Es fácil mostrar, a partir de lo anterior, que:
fifi vvvv 2211 
m1 m2
v1i v2i
v2fv1f
Antes de la colisión Después de la colisión
Choques elásticos

14. Es fácil mostrar que las
velocidades finales de los dos
objetos son:
iif
iif
v
mm
mm
v
mm
m
v
v
mm
m
v
mm
mm
v
2
21
12
1
21
1
2
2
21
2
1
21
21
1
2
2










En una colisión elástica la velocidad relativa de los cuerpos en colisión
cambia de signo, pero su magnitud permanece inalterada.
fi
fff
iii
uu
vvu
vvu



21
21
Si denotamos por u la velocidad
relativa de los objetos, entonces:

15. Si m1 = m2, entonces v1f = 0 y v2f = v1i. Es decir, dos objetos de masas
iguales intercambian sus velocidades.
Si m1 » m2, entonces v1f  v1i y v2f  2v1i. Quiere decir que un objeto
grande que choca con otro pequeño casi no altera su velocidad pero el
objeto pequeño es arrojado con una velocidad del doble de la del pesado.
Si m1 « m2, entonces v1f  v1i y v2f  (2 m1/m2)v1i  0. Cuando un
objeto ligero choca con otro pesado, adquiere una velocidad opuesta a la
que traía.
Si v2i = 0, entonces:
ifif v
mm
m
vv
mm
mm
v 1
21
1
21
21
21
1
2
y






16. Colisiones en dos dimensiones
Para el caso de dos dimensiones la conservación del momento se expresa para
cada componente como:
m1v1ix + m2v2ix = m1v1fx + m2v2fx
m1v1iy + m2v2iy = m1v1fy + m2v2fy
m1
m2
v1i
v2f
v1f
Antes de la colisión Después de la colisión
v2i

17. Consideraremos el caso en que m2 está en reposo inicialmente. Después del
choque m1 se mueve a un ángulo  con la horizontal y m2 se mueve a un
ángulo f con la horizontal. Las ecuaciones anteriores quedan como:
m1v1i = m1v1fcos  + m2v2fcos f
0 = m1v1f sen   m2v2fsen f
m1
m2
v1i
v2f
v1f
Antes de la colisión
Después de la colisión
f

La ley de la conservación de la energía suministra otra ecuación. Sin
embargo, dadas las masas y la velocidad inicial deberá darse alguna de las
cantidades restantes v1f,v2f, f, .
2
222
12
112
12
112
1
ffi vmvmvm 

18. Ejemplo
Un auto de 1500 kg a 25 m/s hacia el este choca con una camioneta de 2500
kg que se mueve hacia el norte a 20 m/s en un cruce. Encuentre la magnitud y
dirección de la velocidad de los autos después del choque, suponga un choque
perfectamente inelástico.
25 m/s
20 m/s
vf Momento en x:
Antes Después
(1500 kg)(25 m/s) = (4000 kg) vf cos()
Momento en y:
Antes Después
(2500 kg)(20 m/s) = (4000 kg) vf sen()
Resolviendo
 = 53.1° vf = 15.6 m/s


19. Ejemplo

35
v1i
v1f
v2fy
x
En un juego de billar un jugador desea meter la bola objetivo
en la buchaca de la esquina.
2
222
12
112
12
112
1
ffi vmvmvm 
Conservación de la energía
2
2
2
1
2
1 ffi vvv 
ffi 211 vvv 
Conservación del momento (bidimensional)
Efectuando el producto punto
   
 

35cos20
2
21
21
2
2
2
12121
2
1
ff
ffffffffi
vv
vvv vvvvvv
 = 55°

20. Centro de masa
El centro de masa de un sistema de partículas es un punto en el
cual paracería estar concentrada toda la masa del sistema.
En un sistema formado por partículas discretas el centro de
masa se calcula mediante la siguiente fórmula:
M
m
m
m ii
i
ii
CM


 
rr
r
m1
m2
mn
mi
r1
r2 ri
rn
rCM
x
y
z

21. Centro de masa de un objeto
extendido
rCM
x
y
z
ri
mi
El centro de masa de un objeto
extendido se calcula mediante
la integral:
 dm
M
CM rr
1
El centro de masa de cualquier
objeto simétrico se ubica sobre
el eje de simetría y sobre
cualquier plano de simetría.

22. Movimiento de un sistema de
partículas
Si se deriva respecto al tiempo el centro de masa de un sistema
de partícula se obtiene la velocidad del centro de masa:
M
m
dt
d
m
Mdt
d
ii
CM
i
i
CM
CM




v
v
rr
v
1
El momento total del sistema es:
  totiiiCM mM ppvv

23. La aceleración del centro de masa es:
  ii
i
i
CM
CM m
Mdt
d
m
Mdt
d
a
vv
a
11
De la segunada ley de Newton:
  iiiCM mM Faa
dt
d
M tot
CMext
p
aF 
Tomando en cuenta la 3era. Ley de Newton:
El centro de masa se mueve como una partícula imaginaria
de masa M bajo la influencia de la fuerza externa resultante
sobre el sistema.