4.7: Colisiones totalmente elásticas
- Page ID
- 129435
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)Para una colisión totalmente elástica, podemos invocar tanto la conservación del momento como (por definición de una colisión totalmente elástica) de la energía cinética. También tenemos una variable adicional, en comparación con el caso totalmente inelástico, ya que en este caso los objetos no se pegan entre sí y así obtienen diferentes velocidades finales. Las dos ecuaciones que rigen una colisión totalmente elástica son:
\[m_{1} v_{1, \mathrm{i}}+m_{2} v_{2, \mathrm{i}}=m_{1} v_{1, \mathrm{f}}+m_{2} v_{2, \mathrm{f}} \label{momentumcons}\]
para la conservación del impulso, y
\[\frac{1}{2} m_{1} v_{1, \mathrm{i}}^{2}+\frac{1}{2} m_{2} v_{2, \mathrm{i}}^{2}=\frac{1}{2} m_{1} v_{1, \mathrm{f}}^{2}+\frac{1}{2} m_{2} v_{2, \mathrm{f}}^{2} \label{kineticecons}\]
para la conservación de energía cinética.
Cuando la colisión ocurre en una dimensión, podemos combinar las ecuaciones (\ ref {momentumcons}) y (\ ref {kineticecons}) para calcular las velocidades finales como funciones de las iniciales. Primero reescribimos las dos ecuaciones para que todo lo asociado con la partícula 1 esté a la izquierda, y los términos para la partícula 2 estén a la derecha:
\[m_{1}\left(v_{1, \mathrm{i}}-v_{1, \mathrm{f}}\right)=m_{2}\left(v_{2, \mathrm{f}}-v_{2, \mathrm{i}}\right) \label{firstorder}\]
y
\[m_{1}\left(v_{1, \mathrm{i}}^{2}-v_{1, \mathrm{f}}^{2}\right)=m_{2}\left(v_{2, \mathrm{f}}^{2}-v_{2, \mathrm{i}}^{2}\right) \label{squared}\]
Podemos expandir los términos entre paréntesis en Ecuación (\ ref {squared}), que da:
\[m_{1}\left(v_{1, \mathrm{i}}-v_{1, \mathrm{f}}\right)\left(v_{1, \mathrm{i}}+v_{1, \mathrm{f}}\right)=m_{2}\left(v_{2, \mathrm{f}}-v_{2, \mathrm{i}}\right)\left(v_{2, \mathrm{f}}+v_{2, \mathrm{i}}\right) \label{expanded}\]
Dividiendo la Ecuación (\ ref {expanded}) por la Ecuación (\ ref {firstorder}), obtenemos una relación entre las velocidades solas:
\[v_{1, \mathrm{i}}+v_{1, \mathrm{f}}=v_{2, \mathrm{i}}+v_{2, \mathrm{f}} \label{pretty}\]
De la ecuación (\ ref {bonita}) podemos aislar\(v_{2,f}\) y sustituir de nuevo en (\ ref {firstorder}) para encontrar\(v_{1,f}\) en términos de las velocidades iniciales:
\[v_{1, \mathrm{f}}=\frac{m_{1}-m_{2}}{m_{1}+m_{2}} v_{1, \mathrm{i}}+2 \frac{m_{2}}{m_{1}+m_{2}} v_{2, \mathrm{i}} \label{v1final}\]
Naturalmente, también podríamos haber calculado\(v_{2,f}\), cuya ecuación es justa (\ ref {v1final}) con los 1's y 2's intercambiados:
\[v_{2, \mathrm{f}}=2 \frac{m_{1}}{m_{1}+m_{2}} v_{1, \mathrm{i}}+\frac{m_{2}-m_{1}}{m_{1}+m_{2}} v_{2, \mathrm{i}}\]
Observamos que en el caso límite eso apenas\(m_{2}>>m_{1}, v_{2}\) se ve afectado, y\(v_{1, \mathrm{f}} \simeq-v_{1, \mathrm{i}}+2 v_{2, \mathrm{f}}\).