Colisão elástica

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Em um jogo de bilhar, as colisões são praticamente elásticas.
Em um jogo de bilhar, as colisões são praticamente elásticas.

Em física, uma colisão elástica ou choque elástico é um encontro entre dois corpos em que a energia cinética e o momento linear total do sistema se conservam, e em que os corpos envolvidos não sofrem deformações permanentes durante o impacto.[1] Colisões perfeitamente elásticas ocorrem apenas se não houver conversão de energia cinética em outras formas (como calor ou ruído) e, portanto, elas não são parte das nossas experiências cotidianas.[2] Algumas colisões entre átomos em gases são exemplos de colisões perfeitamente elásticas. Entretanto, existem alguns exemplos de colisões em mecânica onde a energia perdida pode ser insignificante. Estas colisões podem ser consideradas elásticas, mesmo que elas não sejam perfeitamente elásticas. Colisões de bolas de bilhar rígidas ou as bolas num pêndulo de Newton são dois exemplos disso.[3]

As colisões em que a energia não se conserva e em que se produzem deformações permanentes nos corpos chamam-se inelásticas.[1]

Resolução de problemas de colisão elástica[editar | editar código-fonte]

Em geral, na resolução de um problema de choque completamente elástico, começamos a partir da conservação do momento linear e da energia cinética antes e depois do impacto.

  • O momento linear do sistema é preservado pela definição de colisão elástica: durante um choque, é possível considerar o sistema isolado por causa das forças conservativas que os objetos interagentes trocam, e portanto, é possível ignorar as demais forças envolvidas (exemplo: força gravitacional).
  • Ainda, pela definição de colisão elástica, a energia mecânica total deve ser conservada. No entanto, considerando que o sistema está isolado durante o impacto, os potenciais das forças externas são ignorados e apenas a energia cinética dos corpos permanece.[4][5]

Fórmulas[editar | editar código-fonte]

Supondo dois objetos que possuem elasticidade o suficiente para armazenar toda a energia recebida na deformação sob forma de energia potencial elástica, denominemos as massas das partículas de e , analisemos uma situação em que esses corpos colidem frontalmente, temos que:

Figura 1. Adotando como a velocidade inicial e como velocidade final do objeto de massa ; como a velocidade inicial e como velocidade final do objeto de massa
Enquanto a radiação de corpo negro não escapa de um sistema, os átomos em agitação térmica experimentam essencialmente colisões elásticas. Na média, os átomos ricocheteiam entre si mantendo a mesma energia cinética depois de cada colisão. Aqui, os átomos de hélio a temperatura ambiente se mostram retardados dois trilhões de vezes. Cinco átomos estão coloridos de vermelho para facilitar o acompanhamento de seus movimentos.

Neste caso, há conservação de energia mecânica total do sistema, podendo ser expressada pela equação:

A energia mecânica total do sistema, no caso analisado, é a energia cinética dos corpos envolvidos:

Como temos uma colisão frontal entre os corpos da figura 1, podemos escrever:

Substituindo as massas e as velocidades das partículas na fórmula, temos:

Além da conservação de energia, teremos ainda no sistema conservação de momento linear, como podemos verificar em:

Ao resolver ambas equações, obtém-se:

Além disso, relacionando as equações e e simplificando, teremos as velocidades relativas antes e depois do choque, conforme:

A relação entre a velocidade dos dois corpos depois do choque e a velocidade dos corpos antes do choque é denominado coeficiente de restituição, , mostrado na equação:

O coeficiente de restituição assume sempre o valor igual a 1 para colisões perfeitamente elásticas e quando o coeficiente de restituição é maior que zero e menor que 1 () a colisão é considerada parcialmente elástica, pois a energia cinética é parcialmente conservada. Se o coeficiente de restituição for zero, trata-se de uma colisão inelástica.[6][7]

Colisão em duas dimensões[editar | editar código-fonte]

Quando dois corpos colidem em duas dimensões, a velocidade total de cada corpo deve ser divida em duas velocidades perpendiculares (decomposição vetorial): uma tangente à superfície comum dos corpos em colisão no ponto de contato, a outra ao longo da linha de colisão. Uma vez que a colisão apenas transmite força ao longo da linha de colisão, as velocidades que são tangentes ao ponto de colisão não mudam. As velocidades ao longo da linha de colisão podem, então, ser usadas nas mesmas equações que uma colisão unidimensional. As velocidades final podem ser calculadas a partir das duas novas velocidades e dependerão do ponto de colisão[8][9].

Colisão elástica em duas dimensões.
Colisão elástica em duas dimensões.

Exemplos[editar | editar código-fonte]

Quando duas massas iguais colidem elasticamente, a transferência total de momento linear de uma massa para a outra é observada, de modo que após o impacto, aquela que estava em movimento, para. Enquanto a que estava parada adquire velocidade, sendo que o momento linear e a energia cinética são conservados[1].

Colisão elástica entre massas iguais.
Colisão elástica entre massas iguais.

Teoria na prática[editar | editar código-fonte]

Supondo que uma arma de massa 1 kg () dispare um projétil de massa 0,01 kg () com velocidade de 400 m/s (), calcule a velocidade de recuo dessa arma (). Considerando o choque perfeitamente elástico, para determinar a velocidade de recuo da arma tem-se[10]:

-O momento linear é conservado.

Referências

  1. a b c Halliday, D. & Resnick, R. (1991). Fundamentos de Física. 2. [S.l.]: Livros Técnicos e Científicos 
  2. Mathavan, S. (2010). A theoretical analysis of billard ball dynamics under cushion impacts. [S.l.]: Journal of Mechanical Engineering Science. p. 1863 - 1873 
  3. Haron, A. Coefficient of restitution of sports balls: A normal drop test in 'lOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 36 1 ed. [S.l.: s.n.] 
  4. Bagnato, V. S.; Zilio, S. C. «Mecânica, calor e ondas» (PDF). Consultado em 5 de dezembro de 2017 
  5. «Física Básica - Mecânica» (PDF). Capítulo 9. Consultado em 5 de dezembro de 2017 
  6. HALLIDAY, David; Robert, Resnik (1996). Física 1. 1 4 ed. Rio de Janeiro: LTC. 326 páginas 
  7. Corradi, Wagner; Társia, Rodrigo Dias; Oliveira, Wanderson Silva de; Vieira, Sérgio Luiz Araújo; Nemes, Maria Carolina; Balzuweit, Karla (2010). Fundamentos da física 1. Belo Horizonte: UFMG. pp. 350–1 
  8. «Colisões» (PDF). 2004. Consultado em 5 de dezembro de 2017 
  9. Halliday; Resnick (1996). Física 1. Rio de Janeiro: LTC. pp. 209–13 
  10. «Exercícios sobre Colisões». Consultado em 5 de dezembro de 2017