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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.

Algunos ejemplos de interacciones físicas que los científicos considerarían colisiones son los siguientes:

  • Cuando un insecto aterriza en la hoja de una planta, se dice que sus patas chocan con la hoja.
  • Cuando un gato camina por el césped, cada contacto que hacen sus patas con el suelo se considera una colisión, así como cada roce de su pelaje contra una brizna de hierba.
  • Cuando un boxeador lanza un puñetazo, se dice que su puño choca con el cuerpo del oponente.
  • Cuando un objeto astronómico se fusiona con un agujero negro , se considera que colisionan.

Algunos usos coloquiales de la palabra colisión son los siguientes:

  • Una colisión de tráfico involucra al menos un automóvil.
  • Se produce una colisión en el aire entre aviones.
  • Una colisión de barcos implica con precisión al menos dos embarcaciones marítimas en movimiento que chocan entre sí; el término relacionado, alisión , describe cuando un barco en movimiento choca contra un objeto estacionario (a menudo, pero no siempre, otro barco).


En física, las colisiones se pueden clasificar por el cambio en la energía cinética total del sistema antes y después de la colisión:

  • Si la mayor parte o la totalidad de la energía cinética total se pierde ( disipada como calor, sonido, etc. o absorbida por los propios objetos), se dice que la colisión es inelástica ; tales colisiones involucran objetos que se detienen por completo. Un ejemplo de tal colisión es un accidente automovilístico, ya que los automóviles se arrugan hacia adentro cuando chocan, en lugar de rebotar entre sí. Esto es por diseño , para la seguridad de los ocupantes y transeúntes en caso de que ocurra un choque; en cambio, el marco del automóvil absorbe la energía del choque.
  • Si se conserva la mayor parte de la energía cinética (es decir, los objetos continúan moviéndose después), se dice que la colisión es elástica . Un ejemplo de esto es un bate de béisbol que golpea una pelota de béisbol: la energía cinética del bate se transfiere a la pelota, lo que aumenta en gran medida la velocidad de la pelota. El sonido del bate golpeando la pelota representa la pérdida de energía.
  • Y si se conserva toda la energía cinética total (es decir, no se libera energía como sonido, calor, etc.), se dice que la colisión es perfectamente elástica . Tal sistema es una idealización y no puede ocurrir en la realidad, debido a la segunda ley de la termodinámica .

Física [ editar ]

La deflexión ocurre cuando un objeto golpea una superficie plana. Si la energía cinética después del impacto es la misma que antes del impacto, se trata de una colisión elástica. Si se pierde energía cinética, es una colisión inelástica. El diagrama no muestra si la colisión ilustrada fue elástica o inelástica, porque no se proporcionan velocidades. Lo más que se puede decir es que la colisión no fue del todo inelástica, porque en ese caso la pelota se habría pegado a la pared.

La colisión es una interacción de corta duración entre dos cuerpos o más de dos cuerpos que simultáneamente provocan un cambio en el movimiento de los cuerpos involucrados debido a las fuerzas internas que actúan entre ellos durante este. Las colisiones involucran fuerzas (hay un cambio en la velocidad ). La magnitud de la diferencia de velocidad justo antes del impacto se llama velocidad de cierre . Todas las colisiones conservan el impulso . Lo que distingue a los diferentes tipos de colisiones es si también conservan energía cinética . La línea de impacto es la línea que es colineal a la normal común de las superficies más cercanas o en contacto durante el impacto. Ésta es la línea a lo largo de la cual actúa la fuerza interna de colisión durante el impacto, y el coeficiente de restitución de Newtonse define sólo a lo largo de esta línea. Las colisiones son de tres tipos:

  1. colisión perfectamente elástica
  2. colisión inelástica
  3. colisión perfectamente inelástica.

Específicamente, las colisiones pueden ser elásticas , lo que significa que conservan tanto el impulso como la energía cinética, o inelásticas , lo que significa que conservan el impulso pero no la energía cinética.

Una colisión inelástica a veces también se llama colisión plástica. Una colisión "perfectamente inelástica" (también llamada colisión "perfectamente plástica") es un caso límite de colisión inelástica en la que los dos cuerpos se fusionan después del impacto.

El grado en el 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.

Tipos de colisiones [ editar ]

Hay dos tipos de colisiones entre dos cuerpos: 1) Colisiones frontales o colisiones unidimensionales, donde la velocidad de cada cuerpo justo antes del impacto está a lo largo de la línea del impacto, y 2) Colisiones no frontales, colisiones oblicuas o colisiones bidimensionales, donde la velocidad de cada cuerpo justo antes del impacto no está a lo largo de la línea del impacto.

De acuerdo con el coeficiente de restitución, existen dos casos especiales de cualquier colisión como se describe a continuación:

  1. Una colisión perfectamente elástica se define como aquella en la que no hay pérdida de energía cinética en la colisión. En realidad, cualquier colisión macroscópica entre objetos convertirá parte de la energía cinética en energía interna y otras formas de energía, por lo que ningún impacto a gran escala es perfectamente elástico. Sin embargo, algunos problemas están lo suficientemente cerca de ser perfectamente elásticos como para que puedan aproximarse como tales. En este caso, el coeficiente de restitución es igual a uno.
  2. Una colisión inelástica es aquella en la que parte de la energía cinética se cambia a alguna otra forma de energía en la colisión. El momento se conserva en las colisiones inelásticas (como en las colisiones elásticas), pero no se puede seguir la energía cinética a través de la colisión, ya que parte de ella se convierte en otras formas de energía. En este caso, el coeficiente de restitución no es igual a uno.

En cualquier tipo de colisión hay una fase en la que por un momento los cuerpos en colisión tienen la misma velocidad a lo largo de la línea de impacto, entonces la energía cinética de los cuerpos se reduce a su mínimo durante esta fase y puede denominarse fase de deformación máxima para la cual momentáneamente el el coeficiente de restitución se convierte en uno.

Las colisiones en gases ideales se acercan 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 entre esferas duras pueden ser casi elásticas, por lo que es útil calcular el caso límite de una colisión elástica. El supuesto de conservación de la cantidad de movimiento, así como la conservación de la energía cinética, hace posible el cálculo de las velocidades finales en las colisiones de dos cuerpos.

Allision [ editar ]

En derecho marítimo , en ocasiones es deseable distinguir entre la situación de un buque que choca contra un objeto en movimiento y la de chocar contra un objeto estacionario. La palabra "alisión" se usa entonces para significar el golpe de un objeto estacionario, mientras que "colisión" se usa para significar el golpe de un objeto en movimiento. [1] [2] [3] Por lo tanto, cuando dos embarcaciones chocan entre sí, se denomina colisión, mientras que cuando una embarcación choca contra otra, se considera alisión. [4] El objeto fijo también podría ser un puente o un muelle.. Si bien no existe una gran diferencia entre los dos términos y, a menudo, incluso se usan indistintamente, determinar la diferencia ayuda a aclarar las circunstancias de las emergencias y adaptarse en consecuencia. [5] En el caso de Vane Line Bunkering, Inc. v. Natalie DM / V, se estableció que existía la presunción de que la embarcación en movimiento tenía la culpa, afirmando que "la presunción se deriva de la observación de sentido común de que las embarcaciones en movimiento por lo general, no chocan con objetos estacionarios a menos que la embarcación [en movimiento] sea mal manejada de alguna manera. [6] Esto también se conoce [¿ por quién? ] como la Regla de Oregón. [7]

Enfoques analíticos frente a numéricos para resolver colisiones [ editar ]

Relativamente pocos problemas relacionados con colisiones pueden resolverse analíticamente; el resto requiere métodos numéricos . Un problema importante en la simulación de colisiones es determinar si dos objetos han chocado de hecho. Este problema se llama detección de colisiones .

Ejemplos de colisiones que pueden resolverse analíticamente [ editar ]

Billar [ editar ]

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 una baja fricción de rodadura , su comportamiento se utiliza a menudo para ilustrar las leyes del movimiento de Newton . Después de una colisión de cero fricción 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 profesionales de billar tienen en cuenta, [8] aunque asume que la bola se mueve sin ningún impacto de fricción sobre la mesa en lugar de rodar con fricción. Considere una colisión elástica en 2 dimensiones de 2 masas cualesquiera m 1 y m2 , con respectivas velocidades iniciales u 1 y u 2 donde u 2 = 0 , y velocidades finales V 1 y V 2 . La conservación de la cantidad de movimiento da m 1 u 1 = m 1 V 1 + m 2 V 2 . La conservación de 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 . Ahora considere 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 se obtiene 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).

Colisión perfectamente inelástica [ editar ]

En una colisión perfectamente inelástica, es decir, con un coeficiente de restitución cero , las partículas en colisión se fusionan . Es necesario considerar la conservación del impulso:

donde v es la velocidad final, que viene dada por

La reducción de la energía cinética total es igual a la energía cinética total antes de la colisión en un marco de centro de momento con respecto al sistema de dos partículas, porque en tal marco la energía cinética después de la colisión es cero. En este marco, la mayor parte de la energía cinética antes de la colisión es la de la partícula con la masa más pequeña. En otro marco, 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 marco muestra cuán relativo es esto. Con el tiempo invertido, tenemos la situación de dos objetos alejados uno del otro, por ejemplo, disparando un proyectil o un cohete aplicando empuje (compare elderivación de la ecuación del cohete Tsiolkovsky ).

Ejemplos de colisiones analizadas numéricamente [ editar ]

Locomoción animal [ editar ]

Las colisiones de un pie o una pata de un animal con el sustrato subyacente se denominan generalmente fuerzas de reacción del suelo. Estas colisiones son inelásticas, ya que no se conserva la energía cinética. Un tema de investigación importante en prótesis es la cuantificación de las fuerzas generadas durante las colisiones pie-suelo asociadas con la marcha tanto discapacitada como no discapacitada. Esta cuantificación generalmente requiere que los sujetos caminen a través de una plataforma de fuerza (a veces llamada "placa de fuerza"), así como un análisis cinemático y dinámico detallado (a veces llamado cinético).

Colisiones utilizadas como herramienta experimental [ editar ]

Las colisiones se pueden utilizar como técnica experimental para estudiar las propiedades materiales de los objetos y otros fenómenos físicos.

Exploración espacial [ editar ]

Se puede hacer que un objeto se estrelle deliberadamente contra otro cuerpo celeste, para realizar mediciones y enviarlas a la Tierra antes de ser destruido, o para permitir que los instrumentos de otros lugares observen el efecto. Ver, por ejemplo:

  • Durante Apollo 13 , Apollo 14 , Apollo 15 , Apollo 16 y Apollo 17 , el S-IVB (la tercera etapa del cohete) se estrelló contra la Luna para realizar la medición sísmica utilizada para caracterizar el núcleo lunar.
  • Impacto profundo
  • SMART-1 : satélite de la Agencia Espacial Europea
  • Sonda de impacto lunar - sonda ISRO

Descripción matemática de colisiones moleculares [ editar ]

Sea el momento lineal, angular e interno de una molécula dado por el conjunto de r variables { p i }. El estado de una molécula puede describirse entonces por el rango δw i = δ p 1 δ p 2 δ p 3 ... δ p r . Hay muchos rangos de este tipo que corresponden a diferentes estados; un estado específico puede denotarse mediante el índice i . Por lo tanto, dos moléculas que experimentan una colisión se pueden denotar por ( i , j ) (Este par ordenado a veces se conoce como constelación.) Es conveniente suponer que dos moléculas ejercen un efecto insignificante entre sí a menos que su centro de gravedad se acerque a una distancia crítica b . Por lo tanto, una colisión comienza cuando los respectivos centros de gravedad llegan a esta distancia crítica, y se completa cuando vuelven a alcanzar esta distancia crítica al separarse. Bajo este modelo, una colisión es completamente descrita por la matriz , que se refiere a la constelación ( i , j ) antes de la colisión, y la constelación (en general diferente) ( k , l ) después de la colisión. Esta notación es conveniente para demostrar el teorema H de la mecánica estadística de Boltzmann .

Ataque mediante colisión deliberada [ editar ]

Los tipos de ataque por medio de una colisión deliberada incluyen:

  • golpear con el cuerpo: golpe desarmado , puñetazos , patadas
  • golpear con un arma, como una espada , un garrote o un hacha
  • embestir con un objeto o vehículo, por ejemplo:
    • Ram-raiding , la práctica de conducir un automóvil hacia un edificio para poder entrar
    • un ariete , arma medieval utilizada para derribar puertas grandes, también una versión moderna es utilizada por las fuerzas policiales durante las redadas

Se puede lograr una colisión de ataque con un objeto distante lanzando o lanzando un proyectil .

Ver también [ editar ]

  • Péndulo balístico
  • Accidente automovilistico
  • Coeficiente de restitución
  • Colisión (telecomunicaciones)
  • Detección de colisiones
  • Colisión elástica
  • Fricción
  • Colisión frontal
  • Cráter de impacto
  • Evento de impacto
  • Colisión inelástica
  • Teoría cinética
    : colisiones entre moléculas
  • Colisión en el aire
  • Proyectil
  • Colisión de satélites
  • Basura espacial
  • Tren descarrilado

Notas [ editar ]

  1. ^ merriam-webster.com, " Allision ". Consultado el 7 de noviembre de 2014.
  2. ^ "Tribunal del Almirantazgo rechaza la regla de división igual y distribuye los daños de manera desigual en el caso de colisión de fallas múltiples". Revisión de la ley de Columbia . 63 (3): 554 pie de página 1. Marzo de 1963. doi : 10.2307 / 1120603 . JSTOR  1120603 . El golpe por un buque de un objeto fijo como un puente, técnicamente denominado 'alisión' en lugar de 'colisión'.
  3. ^ Talley, Wayne K. (enero de 1995). "Inversiones de seguridad y condiciones de operación: factores determinantes del costo de daños de buques de pasajeros y accidentes". Revista Económica del Sur . 61 (3): 823, nota 11. doi : 10.2307 / 1061000 . JSTOR 1061000 . Colisión: embarcación golpeada o golpeada por otra embarcación en la superficie del agua, o golpeó un objeto estacionario, no otro barco (una alianza) .
  4. ^ "Allision" , The Free Dictionary , consultado el 28 de agosto de 2018
  5. ^ "Usted dice colisión, yo digo Allision; vamos a ordenar todo | response.restoration.noaa.gov" . response.restoration.noaa.gov . Consultado el 28 de agosto de 2018 .
  6. ^ Juez, ELDON E. FALLON, Distrito. "VANE LINE BUNKERING, INC. | Acción Civil No. 17-1882. | 20180222d82 | Leagle.com" . Leagle . Consultado el 28 de agosto de 2018 .
  7. ^ Ver 158 US 186 - The Oregon , especialmente el párrafo 10.
  8. ^ Alciatore, David G. (enero de 2006). "TP 3.1 regla de 90 °" (PDF) . Consultado el 8 de marzo de 2008 .

Referencias [ editar ]

  • Tolman, RC (1938). Los principios de la mecánica estadística . Oxford: Clarendon Press.Publicado nuevamente (1979) Nueva York: Dover ISBN 0-486-63896-0 . 

Enlaces externos [ editar ]

  • Colisión tridimensional: colisión oblicua inelástica entre dos esferas homogéneas.
  • Colisión unidimensional: subprograma flash de colisión unidimensional.
  • Colisión bidimensional : subprograma flash de colisión bidimensional.