Colisión

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 usa a menudo para ilustrar las leyes del 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 de billar profesionales tienen en cuenta, ^{[ 2 ]} aunque supone que la bola se mueve sin ningún impacto de fricción sobre la mesa en lugar de rodar con fricción. Consideremos una colisión elástica en dos dimensiones de dos masas cualesquiera m _a y m _b , con velocidades iniciales respectivas v _a1 y v _b1 donde v _b1 = 0 , y velocidades finales v _a2 y v _b2 . La conservación del momento da m _a v _a1 = m _a v _a2 + m _b v _b2 . La conservación de la energía para una colisión elástica da (1/2) m _a | v _a1 | ² = (1/2) m _a | v _a2 | ² + (1/2) m _b | v _b2 | ² . Ahora consideremos el caso m _a = m _b : obtenemos v _a1 = v _a2 + v _b2 y | v _a1 | ² = | v _a2 | ² + | v _b2 | ² . Tomando el producto escalar de cada lado de la primera ecuación consigo mismo, | v _a1 | ² = v _a1 • v _a1 = | v _a2 | ² + | v _b2 | ² + 2 v _a2 • v _b2 . Comparando esto con la última ecuación se obtiene v _a2 •v _b2 = 0, por lo que son perpendiculares a menos que v _a2 sea el vector cero (lo que ocurre si y solo si la colisión es frontal).

En una colisión inelástica perfecta , es decir, con un coeficiente de restitución cero , las partículas que colisionan se fusionan . Utilizando la conservación del momento:

${\displaystyle m_{a}\mathbf {v} _{a1}+m_{b}\mathbf {v} _{b1}=\left(m_{a}+m_{b}\right)\mathbf {v} _{2},}$

La velocidad final viene dada por

${\displaystyle \mathbf {v} _{2}={\frac {m_{a}\mathbf {v} _{a1}+m_{b}\mathbf {v} _{b1}}{m_{a}+m_{b}}}.}$

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

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

La hipervelocidad es una velocidad muy alta , aproximadamente superior a 3000 metros por segundo (11 000  km/h, 6700  mph, 10 000  ft/s o Mach 8,8). En particular, la hipervelocidad es una velocidad tan alta que la resistencia de los materiales al impacto es muy pequeña en comparación con las tensiones inerciales . ^{[ 3 ]} Por lo tanto, los metales y los fluidos se comportan de manera similar bajo un impacto de hipervelocidad. Un impacto a hipervelocidad extrema produce la vaporización del impactador y del objetivo. Para metales estructurales, la hipervelocidad generalmente se considera superior a 2500  m/s (5600  mph, 9000  km/h, 8200  ft/s o Mach 7,3). Los cráteres de meteoritos también son ejemplos de impactos de hipervelocidad.