Colisión

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 cae sobre la hoja de una planta, se dice que sus piernas chocan con la hoja.
• Cuando un gato atraviesa un césped, cada contacto que sus patas hacen con el suelo se considera una colisión, así como cada pincel de su piel contra una hoja de hierba.
• Cuando un boxeador lanza un golpe, se dice que su puño choca con el cuerpo de los oponentes.
• Cuando un objeto astronómico se fusiona con un agujero negro, se consideran collide.

Algunos usos coloquiales de la palabra colisión son los siguientes:

• Una colisión de tráfico implica al menos un automóvil.
• Una colisión de aire medio ocurre entre aviones.
• Una colisión de buques implica con precisión al menos dos buques marítimos en movimiento que se golpean entre sí; el término correspondiente, allision, describe cuando un barco en movimiento golpea 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 mayoría o toda la energía cinética total se pierde (disipada como calor, sonido, etc. o absorbida por los mismos objetos), se dice que la colisión es inelástica; tales colisiones implican objetos que llegan a una parada completa. Un ejemplo de tal colisión es un accidente de coche, ya que los coches se cruzan hacia adentro cuando se estrellan, en lugar de saltarse uno del otro. Esto es por diseño, para la seguridad de los ocupantes y espectadores debe ocurrir un accidente - el marco del coche absorbe la energía del accidente en su lugar.
• 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 golpeando un béisbol - la energía cinética del bate se transfiere a la pelota, aumentando enormemente la velocidad de la bola. El sonido del bate que golpea 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 elástico. Tal sistema es una idealización y no puede ocurrir en realidad, debido a la segunda ley de la termodinámica.

Física

La deflexión ocurre cuando un objeto golpea una superficie plana. Si la energía cinética después del impacto es la misma que antes del impacto, es 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 era perfectamente inelástica, porque en ese caso la bola habría pegado a la pared.

La 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 esto. 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 la cantidad de movimiento. Lo que distingue a los diferentes tipos de colisiones es si también conservan la energía cinética. La línea de impacto es la línea que es colineal a la normal común de las superficies que están más cerca 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 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 la cantidad de movimiento como la energía cinética, o inelásticas, lo que significa que conservan la cantidad de movimiento pero no la energía cinética.

Una colisión inelástica a veces también se denomina colisión plástica. Una colisión "perfectamente inelástica" colisión (también llamada colisión 'perfectamente plástica') es un caso límite de colisión inelástica en el que los dos cuerpos se unen después del impacto.

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.

Tipos de colisiones

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 de 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 de impacto.

Según el coeficiente de restitución, hay dos casos especiales de cualquier colisión como se escribe a continuación:

1. Una colisión perfectamente elástica se define como una en la que no hay pérdida de energía cinética en la colisión. En realidad, cualquier colisión macroscópica entre objetos convertirá cierta energía cinética a la energía interna y otras formas de energía, por lo que ningún impacto a gran escala es perfectamente elástico. Sin embargo, algunos problemas son suficientemente cercanos a perfectamente elásticos que pueden ser aproximados como tales. En este caso, el coeficiente de restitución es igual a uno.
2. Una colisión inelástica es una en la que parte de la energía cinética se cambia a otra forma de energía en la colisión. El momentum se conserva en colisiones inelásticas (como es para colisiones elásticas), pero no se puede rastrear la energía cinética a través de la colisión ya que algunas de ellas 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 que chocan 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 llamarse fase de máxima deformación para la cual momentáneamente el coeficiente de restitución se convierte en uno.

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 entre esferas duras pueden ser casi elásticas, por lo que es útil calcular el caso límite de una colisión elástica. La suposición de la 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.

Alisión

En derecho marítimo, ocasionalmente es deseable distinguir entre la situación de un buque que choca contra un objeto en movimiento y la de un buque que choca contra un objeto estacionario. La palabra "alisión" se usa entonces para indicar el golpe de un objeto estacionario, mientras que "colisión" se utiliza para referirse al golpe de un objeto en movimiento. Por lo tanto, cuando dos barcos se enfrentan, los tribunales suelen utilizar el término colisión, mientras que cuando un barco se enfrenta a otro, suelen utilizar el término allision. 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. En el caso de Vane Line Bunkering, Inc. v. Natalie D M/V, se estableció que existía la presunción de que la embarcación en movimiento tuvo la culpa, afirmando que "la presunción deriva de la observación de sentido común de que las embarcaciones en movimiento generalmente no chocan con objetos estacionarios a menos que la embarcación [en movimiento] sea mal manejada de alguna manera". Esto también se conoce como La Regla de Oregón.

Enfoques analíticos versus numéricos para resolver colisiones

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 chocaron de hecho. Este problema se llama detección de colisión.

Ejemplos de colisiones que se pueden resolver analíticamente

Billar

Las colisiones juegan un papel importante en los deportes de referencia. Debido a que las colisiones entre las bolas de billar son casi elásticas y las bolas ruedan sobre una superficie que produce una baja fricción de rodadura, su comportamiento se usa a menudo para ilustrar las leyes de movimiento de Newton. Después de una colisión sin 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, 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 dos dimensiones de dos masas cualesquiera m₁ y m₂, con respectivas velocidades iniciales u₁ y u₂ donde u₂ = 0, y velocidades finales V₁ y V₂. La conservación del impulso da m₁u₁ = m₁V₁ + m₂V₂. La conservación de la energía para una colisión elástica da (1/2)m₁|u₁| ² = (1/2)m₁|V₁|² + (1/2)m₂|V₂|². Ahora considere el caso m₁ = m₂: obtenemos u₁ = V₁ + V₂ y |u ₁|² = |V₁|² + |V ₂|². Tomando el producto escalar de cada lado de la ecuación anterior consigo mismo, |u₁|² = u₁•u₁ = |V₁|² + |V₂|² + 2V₁• V₂. Comparando esto con la última ecuación da V₁•V₂ = 0, por lo que son perpendiculares a menos que V₁ es el vector cero (que ocurre si y solo si la colisión es frontal).

Colisión inelástica perfecta

En una colisión inelástica perfecta, es decir, un coeficiente de restitución cero, las partículas que chocan se unen. Es necesario considerar la conservación de la cantidad de movimiento:

maua+mbub=()ma+mb)v{displaystyle m_{a}mathbf {u} ¿Por qué?

donde v es la velocidad final, que por lo tanto viene dada por

v=maua+mbubma+mb{displaystyle mathbf {v} ={frac} {m_{a}mathbf {u} ¿Qué? {fn} {fn}} {fn}} {fn}}} {fn}} {fn}} {fn}} {fn}} {fn}}}} {fn}}} {fn}}}} {fn}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {m}}}}}}}}}} {m} {m}} {m}} {m}}}} {m}}}}}}}}}}}}}}} {m}}}}}}} {m}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {m}}}}}}}}} {m}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

La reducción de la energía cinética total es igual a la energía cinética total antes de la colisión en un marco de centro de cantidad de movimiento 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 energía cinética puede haber una transferencia de energía cinética de una partícula a otra; el hecho de que esto dependa del marco muestra cuán relativo es esto. Con el tiempo invertido tenemos la situación de dos objetos empujados uno del otro, p. disparando un proyectil, o un cohete aplicando empuje (compare la derivación de la ecuación del cohete Tsiolkovsky).

Ejemplos de colisiones analizadas numéricamente

Locomoción de animales

Las colisiones de la pata o el pie de un animal con el sustrato subyacente generalmente se denominan 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 entre el suelo y los pies asociadas con la marcha tanto con discapacidad como sin ella. Esta cuantificación normalmente requiere que los sujetos caminen sobre una plataforma de fuerza (a veces denominada "plataforma de fuerza"), así como un análisis cinemático y dinámico (a veces denominado cinético) detallado.

Las colisiones utilizadas como herramienta experimental

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

Exploración espacial

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

• Durante Apolo 13, Apolo 14, Apolo 15, Apolo 16 y Apolo 17, el S-IVB (la tercera etapa del cohete) se estrelló en la Luna para realizar mediciones sísmicas utilizadas para caracterizar el núcleo lunar.
• Impacto profundo
• SMART-1 - Satélite de la Agencia Espacial Europea
• Sonda de impacto lunar - sonda ISRO y LCROSS con su paso Centaur Upper Stage - NASA Probe
• Doble Asteroid Redirection Prueba para la defensa planetaria

Descripción matemática de colisiones moleculares

Que el momento lineal, angular e interno de una molécula sea dado por el conjunto de r variables {} p_i }. El estado de una molécula puede ser descrito por el rango δw_i = δp₁δp₂δp₃... δp_r. Hay muchos de estos rangos correspondientes a diferentes estados; un estado específico puede ser denotado por el índice i. Dos moléculas sometidas a una colisión pueden ser denotadas por (i, j(Tal vez un par ordenado es a veces conocido como constelación.) Es conveniente suponer que dos moléculas ejercen un efecto insignificante sobre el otro a menos que su centro de enfoque de gravedad dentro de 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 en su camino separados. Bajo este modelo, una colisión es completamente descrita por la matriz ()ijkl){displaystyle {begin{pmatrix}i limitadajk recurlend{pmatrix}}, que se refiere a la constelación (i, j) antes de la colisión, y la constelación (en general diferente)k, lDespués de la colisión. Esta notación es conveniente para probar el teorema H de Boltzmann de la mecánica estadística.

Ataque mediante colisión deliberada

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

• golpeando con el cuerpo: desarmado golpeando, golpeando, pateando
• golpeando con un arma, como una espada, un club o un hacha
• rebosante de un objeto o vehículo, por ejemplo:
  • Ram-raiding, la práctica de conducir un coche en un edificio para entrar
  • a battering ram, medieval weapon used for breaking down large door, also a modern version is used by police forces during raids

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