Colisão - Collision

Na física , uma colisão é qualquer evento em que dois ou mais corpos exercem forças um sobre o outro em um tempo relativamente curto. Embora o uso mais comum da palavra colisão se refira a incidentes nos quais dois ou mais objetos colidem com grande força, o uso científico do termo nada implica sobre a magnitude da força.

Alguns exemplos de interações físicas que os cientistas considerariam como colisões são os seguintes:

  • Quando um inseto pousa na folha de uma planta, diz-se que suas pernas colidem com a folha.
  • Quando um gato passa por um gramado, cada contato que suas patas fazem com o solo é considerado uma colisão, assim como cada toque de seu pelo contra uma folha de grama.
  • Quando um boxeador dá um soco, seu punho colide com o corpo do oponente.
  • Quando um objeto astronômico se funde com um buraco negro , considera-se que eles colidem.

Alguns usos coloquiais da palavra colisão são os seguintes:

  • Uma colisão de tráfego envolve pelo menos um automóvel.
  • Uma colisão no ar ocorre entre aviões.
  • Uma colisão de navio envolve com precisão pelo menos duas embarcações marítimas em movimento que se chocam; o termo relacionado, allision , descreve quando um navio em movimento atinge um objeto estacionário (freqüentemente, mas não sempre, outro navio).

Na física, as colisões podem ser classificadas pela mudança na energia cinética total do sistema antes e depois da colisão:

  • Se a maior parte ou toda a energia cinética total for perdida ( dissipada como calor, som, etc. ou absorvida pelos próprios objetos), a colisão é considerada inelástica ; tais colisões envolvem objetos parando completamente. Um exemplo desse tipo de colisão é um acidente de carro, quando os carros se dobram para dentro ao bater, em vez de ricochetear um no outro. Isso ocorre por design , para a segurança dos ocupantes e observadores, caso ocorra um acidente - em vez disso, a estrutura do carro absorve a energia do acidente.
  • Se a maior parte da energia cinética é conservada (ou seja, os objetos continuam se movendo depois), a colisão é considerada elástica . Um exemplo disso é um taco de beisebol batendo em uma bola de beisebol - a energia cinética do taco é transferida para a bola, aumentando muito a velocidade da bola. O som do taco acertando a bola representa a perda de energia.
  • E se toda a energia cinética total for conservada (ou seja, nenhuma energia é liberada como som, calor, etc.), a colisão é considerada perfeitamente elástica . Tal sistema é uma idealização e não pode ocorrer na realidade, devido à segunda lei da termodinâmica .

Física

A deflexão ocorre quando um objeto atinge uma superfície plana. Se a energia cinética após o impacto for a mesma que antes do impacto, é uma colisão elástica. Se a energia cinética for perdida, é uma colisão inelástica. O diagrama não mostra se a colisão ilustrada foi elástica ou inelástica, porque nenhuma velocidade é fornecida. O máximo que se pode dizer é que a colisão não foi perfeitamente inelástica, pois nesse caso a bola teria ficado presa na parede.

A colisão é a interação de curta duração entre dois corpos ou mais de dois corpos simultaneamente causando mudança no movimento dos corpos envolvidos devido a forças internas atuadas entre eles durante isso. As colisões envolvem forças (há uma mudança na velocidade ). A magnitude da diferença de velocidade pouco antes do impacto é chamada de velocidade de fechamento . Todas as colisões conservam o momentum . O que distingue os diferentes tipos de colisões é se eles também conservam energia cinética . A linha de impacto é a linha que é colinear ao normal comum das superfícies que estão mais próximas ou em contato durante o impacto. Esta é a linha ao longo da qual a força interna de colisão atua durante o impacto, e o coeficiente de restituição de Newton é definido apenas ao longo desta linha. As colisões são de três tipos:

  1. colisão perfeitamente elástica
  2. colisão inelástica
  3. colisão perfeitamente inelástica.

Especificamente, as colisões podem ser elásticas , o que significa que conservam o momento e a energia cinética, ou inelásticas , o que significa que conservam o momento, mas não a energia cinética.

Uma colisão inelástica às vezes também é chamada de colisão plástica. Uma colisão “perfeitamente inelástica” (também chamada de colisão “perfeitamente plástica”) é um caso limite de colisão inelástica em que os dois corpos se aglutinam após o impacto.

O grau em que uma colisão é elástica ou inelástica é quantificado pelo coeficiente de restituição , um valor que geralmente varia entre zero e um. Uma colisão perfeitamente elástica tem um coeficiente de restituição de um; uma colisão perfeitamente inelástica tem um coeficiente de restituição de zero.

Tipos de colisões

Existem dois tipos de colisões entre dois corpos - 1) colisões frontais ou colisões unidimensionais - onde a velocidade de cada corpo imediatamente antes do impacto é ao longo da linha de impacto, e 2) colisões não frontais, colisões oblíquas ou colisões bidimensionais - onde a velocidade de cada corpo imediatamente antes do impacto não está ao longo da linha de impacto.

De acordo com o coeficiente de restituição, existem dois casos especiais de qualquer colisão, conforme descrito abaixo:

  1. Uma colisão perfeitamente elástica é definida como aquela em que não há perda de energia cinética na colisão. Na realidade, qualquer colisão macroscópica entre objetos irá converter alguma energia cinética em energia interna e outras formas de energia, portanto, nenhum impacto em grande escala é perfeitamente elástico. No entanto, alguns problemas são suficientemente próximos de perfeitamente elásticos que podem ser aproximados como tal. Nesse caso, o coeficiente de restituição é igual a um.
  2. Uma colisão inelástica é aquela em que parte da energia cinética é alterada para alguma outra forma de energia na colisão. O momentum é conservado em colisões inelásticas (como é para colisões elásticas), mas não se pode rastrear a energia cinética através da colisão, pois parte dela é convertida em outras formas de energia. Nesse caso, o coeficiente de restituição não é igual a um.

Em qualquer tipo de colisão existe uma fase em que por um momento os corpos colidem com a mesma velocidade ao longo da linha de impacto. Então a energia cinética dos corpos se reduz ao mínimo durante esta fase e pode ser chamada de fase de deformação máxima para a qual momentaneamente coeficiente de restituição torna-se um.

As colisões em gases ideais se aproximam de colisões perfeitamente elásticas, assim como as interações de espalhamento de partículas subatômicas que são desviadas pela força eletromagnética . Algumas interações em grande escala, como as interações gravitacionais do tipo estilingue entre satélites e planetas, são quase perfeitamente elásticas.

As colisões entre esferas rígidas podem ser quase elásticas, por isso é útil calcular o caso limite de uma colisão elástica. O pressuposto da conservação do momento, bem como da conservação da energia cinética, torna possível o cálculo das velocidades finais em colisões de dois corpos.

Allision

No direito marítimo , ocasionalmente é desejável distinguir entre a situação de uma embarcação colidindo com um objeto em movimento e aquela em que ela colide com um objeto estacionário. A palavra "allision" é então usada para significar o impacto de um objeto estacionário, enquanto "colisão" é usada para significar o impacto de um objeto em movimento. Assim, quando duas embarcações se chocam, os tribunais costumam usar o termo colisão, ao passo que, quando uma embarcação se choca contra a outra, costumam usar o termo alisão. O objeto fixo também pode ser uma ponte ou doca . Embora não haja grande diferença entre os dois termos e muitas vezes eles sejam usados ​​de forma intercambiável, determinar a diferença ajuda a esclarecer as circunstâncias das emergências e se adaptar de acordo. No caso da Vane Line Bunkering, Inc. v. Natalie DM / V, foi estabelecido que havia a presunção de que a embarcação em movimento é culpada, afirmando que "a presunção deriva da observação do senso comum de que embarcações em movimento geralmente não colidir com objetos estacionários, a menos que a embarcação [em movimento] seja maltratada de alguma forma. ”Isso também é conhecido como Regra de Oregon.

Abordagens analíticas vs. numéricas para resolver colisões

Relativamente poucos problemas envolvendo colisões podem ser resolvidos analiticamente; o restante requer métodos numéricos . Um problema importante na simulação de colisões é determinar se dois objetos colidiram de fato. Este problema é denominado detecção de colisão .

Exemplos de colisões que podem ser resolvidas analiticamente

Bilhar

As colisões desempenham um papel importante nos esportes com taco . Como as colisões entre as bolas de bilhar são quase elásticas e as bolas rolam sobre uma superfície que produz baixo atrito de rolamento , seu comportamento costuma ser usado para ilustrar as leis do movimento de Newton . Após uma colisão de fricção zero de uma bola em movimento com uma bola estacionária de massa igual, o ângulo entre as direções das duas bolas é de 90 graus. Este é um fato importante que os jogadores profissionais de bilhar levam em consideração, embora presuma que a bola está se movendo sem nenhum impacto de fricção sobre a mesa, em vez de rolar com o atrito. Considere uma colisão elástica em duas dimensões de quaisquer duas massas m 1 e m 2 , com as respectivas velocidades iniciais L 1 e L 2 , onde u 2 = 0 , e velocidades finais V 1 e V 2 . A conservação do momento dá m 1 u 1 = m 1 V 1 + m 2 V 2 . A conservação de energia para uma colisão elástica dá (1/2) m 1 | u 1 | 2 = (1/2) m 1 | V 1 | 2 + (1/2) m 2 | V 2 | 2 . Agora considere o caso m 1 = m 2 : obtemos u 1 = V 1 + V 2 e | u 1 | 2 = | V 1 | 2 + | V 2 | 2 . Tomando o produto escalar de cada lado da equação anterior com ele mesmo, | u 1 | 2 = u 1u 1 = | V 1 | 2 + | V 2 | 2 + 2 V 1V 2 . Comparando isso com a última equação dá V 1V 2 = 0, então eles são perpendiculares a menos que V 1 seja o vetor zero (que ocorre se e somente se a colisão for frontal).

Colisão inelástica perfeita

uma colisão completamente inelástica entre massas iguais

Em uma colisão inelástica perfeita, ou seja, um coeficiente de restituição zero , as partículas em colisão se aglutinam . É necessário considerar a conservação do momento:

onde v é a velocidade final, que é, portanto, dada por

A redução da energia cinética total é igual à energia cinética total antes da colisão em um referencial do centro de momento em relação ao sistema de duas partículas, porque em tal referencial a energia cinética após a colisão é zero. Nesse referencial, a maior parte da energia cinética antes da colisão é a da partícula com a menor massa. Em outro quadro, além da redução da energia cinética, pode haver uma transferência de energia cinética de uma partícula para a outra; o fato de que isso depende do quadro mostra o quão relativo isso é. Com o tempo invertido, temos a situação de dois objetos afastados um do outro, por exemplo, atirando em um projétil ou um foguete aplicando impulso (compare a derivação da equação do foguete de Tsiolkovsky ).

Exemplos de colisões analisadas numericamente

Locomoção animal

As colisões do pé ou da pata de um animal com o substrato subjacente são geralmente chamadas de forças de reação do solo. Essas colisões são inelásticas, pois a energia cinética não é conservada. Um importante tópico de pesquisa em próteses é quantificar as forças geradas durante as colisões pé-solo associadas à marcha com e sem deficiência. Essa quantificação normalmente requer que os sujeitos caminhem por uma plataforma de força (às vezes chamada de " plataforma de força"), bem como análises cinemáticas e dinâmicas detalhadas (às vezes chamada de cinética).

Colisões usadas como ferramenta experimental

As colisões podem ser usadas como uma técnica experimental para estudar propriedades materiais de objetos e outros fenômenos físicos.

Exploração espacial

Um objeto pode ser feito deliberadamente para aterrissar em outro corpo celeste, para fazer medições e enviá-los à Terra antes de ser destruído, ou para permitir que instrumentos em outros lugares observem o efeito. Veja por exemplo:

Descrição matemática de colisões moleculares

Sejam os momentos lineares, angulares e internos de uma molécula dados pelo conjunto de r variáveis ​​{ p i }. O estado de uma molécula pode então ser descrito pelo intervalo δw i = δ p 1 δ p 2 δ p 3 ... δ p r  . Existem muitos desses intervalos correspondentes a diferentes estados; um estado específico pode ser denotado pelo índice i . Duas moléculas que sofrem uma colisão podem, portanto, ser denotadas por ( i , j ) (Esse par ordenado às vezes é conhecido como uma constelação .) É conveniente supor que duas moléculas exercem um efeito insignificante uma sobre a outra, a menos que seu centro de gravidade se aproxime dentro uma distância crítica b . Uma colisão, portanto, começa quando os respectivos centros de gravidade chegam a essa distância crítica e é concluída quando eles alcançam novamente essa distância crítica em seu caminho de separação. Nesse modelo, uma colisão é completamente descrita pela matriz , que se refere à constelação ( i , j ) antes da colisão e à (geralmente diferente) constelação ( k , l ) após a colisão. Esta notação é conveniente em provar de Boltzmann H-teorema de mecânica estatística .

Ataque por meio de uma colisão deliberada

Os tipos de ataque por meio de uma colisão deliberada incluem:

  • golpeando com o corpo: golpeando desarmado , socando , chutando
  • golpear com uma arma, como uma espada , clava ou machado
  • bater com um objeto ou veículo, por exemplo:
    • Ram-raiding , a prática de dirigir um carro para dentro de um prédio para arrombar
    • um aríete , arma medieval usada para quebrar grandes portas, também uma versão moderna é usada pelas forças policiais durante as batidas

Uma colisão de ataque com um objeto distante pode ser alcançada jogando ou lançando um projétil .

Veja também

Notas

Referências

links externos