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Colisão
central Prof.
Luiz Ferraz Netto Sólido
real é sempre ligeiramente deformável. Em átomos e moléculas,
sem modificação de estrutura, a deformação é perfeitamente elástica;
o mesmo se admite em sólidos macroscópicos em caso ideal. Em corpos reais
toda deformação é, ao menos em parte, permanente. Durante
a colisão o deslocamento do sistema é desprezível e o trabalho externo,
se não for nulo, é desprezível. Se o sistema sofrer variação de
energia cinética, é devido ao trabalho interno. Na maioria dos casos o
trabalho interno é negativo; em valor absoluto, ele mede a energia mecânica
dissipada. Se a colisão liberar energia potencial interna (por exemplo,
energia química) o trabalho interno é positivo. Na região de contato, os corpos colidentes admitem um plano tangente comum chamado plano de contato; a normal a ele é chamada linha de colisão. Se os centros de massa dos corpos colidentes pertencerem ambos à linha de colisão, o choque é dito central; se não, tem-se choque excêntrico. A colisão entre esferas homogêneas é sempre central.
Experimento - Segure uma folha de papel entre duas esferas de rolamento. Quando as duas esferas são lançadas uma contra a outra, é gerado calor no ponto de contato, e pode-se perceber queimaduras em um buraco no papel. Parte da energia cinética é transformada em calor. Preste bastante atenção para sentir o cheiro de papel queimado. Se
as velocidades dos móveis forem ambas paralelas à linha de colisão,
tem-se choque direto; se não, tem-se choque oblíquo.
As massas dos moveis sejam m1 e m2; suas velocidades sejam u1 e u2 antes da colisão, v1 e v2 após. O momento linear do sistema se conserva, logo a velocidade do centro de massa se conserva: m1.u1 + m2.u2 = m1.v1 + m2.v2 = (m1 + m2).vG ... (3) Examinaremos somente colisões centrais (diretas ou oblíquas).
Em colisão oblíqua: a)
admitiremos que as velocidades dos centros de massa, e a linha de colisão,
sejam coplanares; Adotemos a linha de colisão como eixo de abscissas. Antes:
u1 = u1x.i +u1y.j A velocidade de aproximação dos moveis é (u1x - u2x), a velocidade de afastamento é (v2x - v1x). Chama-se "coeficiente de restituição" do par de materiais que constituem os móveis o quociente da velocidade de afastamento pela velocidade de aproximação: e = (v2x - v1x)/(u2x - u1x) ... (7) O coeficiente de restituição depende essencialmente dos materiais dos móveis. Demonstra-se que ele equivale à relação entre o impulso escalar que um dos móveis recebe na recuperação, pelo impulso que ele recebe na deformação: e = Irec./Idef.
Pelo coeficiente de restituição, as colisões se classificam conforme o quadro seguinte:
Nos corpos colidentes realiza-se trabalho interno resistente na fase de deformação, trabalho interno motor na eventual fase de recuperação. Finda a deformação, a energia cinética do sistema é mínima no processo; sobrevindo recuperação, a energia cinética aumenta outra vez. Em colisão perfeitamente elástica o trabalho interno é realizado só por forças conservativas, as mesmas na deformação como na recuperação; do início ao fim do processo, a soma desses trabalhos é nula. Na deformação o sistema perde energia cinética e armazena energia potencial elástica; na recuperação o sistema converte a mesma energia potencial em energia cinética.
Em colisão mole (ou parcialmente elástica) ou totalmente inelástica, intervém dissipação de energia mecânica; a recuperação é só parcial, ou nula. A energia mecânica dissipada equivale à energia não mecânica que surge; via de regra, surge energia térmica. Colisão explosiva só ocorre em sistema contendo energia mecanizável que a interação libera: mola tensa que se dispara, rompimento de recipiente contendo gás comprimido, espoleta que deflagra explosão etc. Em colisão central direta as velocidades são colineares com a linha de colisão (eixo Ox). São elas u1 e u2 antes, v1 e v2 após o choque. Verifica-se a Conservação do Momento Linear do sistema: m1.u1 + m2.u2 = m1.v1 + m2.v2 = (m1 + m2).vG ... (8) A velocidade do centro de massa é vG = (m1.u1 + m2.u2)/(m1 + m2) ... (9) O coeficiente de restituição é e = (v2 - v1)/(u2 - u1) ... (10) Tendo-se em vista a equação (9), as equações (8) e (10) fornecem:
Em conseqüência da colisão, a energia cinética do sistema sofre o incremento D(Ecin) = (Ecin)após - (Ecin)antes; esta grandeza é chamada "Q" do processo. Resulta:Q = D(Ecin) = (e2 - 1).(1/2).(m1.m2).(u1 - u2)2/(m1 + m2) ... (12) Em
colisão anelástica (e = 0) é Q = - |Q|; a
energia |Q| é dissipada, e é máxima em igualdade das demais condições
(materiais, massas e velocidades). (1/2).m1.u21+ (1/2).m2.u22 = (1/2).m1.v21 + (1/2).m2.v22 ... (13) Neste caso pode-se prescindir do coeficiente de restituição; v1 e v2 resultam das equações (8) e (13):
Em
colisão explosiva (e > 1) é Q = +|Q| =/=
0: a energia cinética do sistema aumenta à custa de energia interna. Em colisão central oblíqua aplicam-se, segundo Oy, as equações (6). Segundo Ox, aplicam-se as equações 8, 9, 10 e 11. Caso particular interessante é o da colisão de uma esfera homogênea com uma parede lisa, rígida e indeslocável.
A
parede equivale a corpo estacionário tendo inércia infinita. Nas equações
precedentes, a massa da parede é concebida como variável que tende ao
infinito. b = (1/e).tga v = u.cosa.(e2 + tg2a)1/2 Se a colisão for elástica, (e = 1), resultam a = b, u = v.Em colisão anelástica (e = 0) resultam b = p/2, v = u.sena; após a colisão, a esfera percussora desliza ao longo da parede (que foi considerada lisa). ***Segue Questões básicas***
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