Autor Tema: Colisión elástica en dos dimensiones

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20 Mayo, 2021, 01:26 am
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Richard R Richard

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Buenas Richard,
Tal vez, si tienes ganas, puedes plantear algún problema simple de 2 cuerpos, yo lo resuelvo con métodos "tradicionales" y tu con masa reducida, luego comparamos si es en verdad o no mas simple.



Bueno aquí va,

Una esfera de masa \( 3m \)  es lanzada con velocidad \( v_1 \) hacia otra esfera de masa m de igual radio R que se halla en reposo , durante la colisión la recta que une los centros de masa presentan un ángulo de 45° respecto a la  direccion de la velocidad \( v_1 \)  suponiendo la colisión totalmente elástica..

calcular el módulo, dirección y sentido, de la velocidad relativa de las masas luego de la colisión   

a) desde un sistema de referencia estático externo.
b) desde un sistema de referencia que se desplaza a la velocidad del centro de masas del conjunto.
c) te animas a resolver el mismo problema si la colisión es totalmente inelástica.

Que lo disfrutes,  sirva para fijar conocimiento a ti y a quien lo lea , cualquier duda comenta.

Saludos
Pd cualquier observación sobre el contenido es bienvenida. gracias
Saludos  \(\mathbb {R}^3\)

20 Mayo, 2021, 01:47 am
Respuesta #1

franma

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Buenas Richard ,


Buenas Richard,
Tal vez, si tienes ganas, puedes plantear algún problema simple de 2 cuerpos, yo lo resuelvo con métodos "tradicionales" y tu con masa reducida, luego comparamos si es en verdad o no mas simple.



Bueno aquí va,

Una esfera de masa \( 3m \)  es lanzada con velocidad \( v_1 \) hacia otra esfera de masa m de igual radio R que se halla en reposo , durante la colisión la recta que une los centros de masa presentan un ángulo de 45° respecto a la  direccion de la velocidad \( v_1 \)  suponiendo la colisión totalmente elástica..

calcular el módulo, dirección y sentido, de la velocidad relativa de las masas luego de la colisión   

a) desde un sistema de referencia estático externo.
b) desde un sistema de referencia que se desplaza a la velocidad del centro de masas del conjunto.
c) te animas a resolver el mismo problema si la colisión es totalmente inelástica.

Que lo disfrutes,  sirva para fijar conocimiento a ti y a quien lo lea , cualquier duda comenta.

Saludos
Pd cualquier observación sobre el contenido es bienvenida. gracias

Primero que todo, gracias por tomarte el tiempo de plantear el ejercicio.
Vi que dice esferas, y también das el radio como un dato. ¿Por lo que a diferencia de problemas previos de colisión, aquí debo tomar en cuenta que las esferas ruedan verdad?

Agrego: ¿También al momento de utilizar la conservación de de la cantidad de momento lo puedo hacer sin problemas? Y supongo que para la conservación de la energía cinética debo no solo tomar en cuenta la energía cinética del movimiento de la esfera si no también de su rotación ¿Es correcto?

2do Agregado: No se como imponer el hecho de que "durante la colisión la recta que une los centros de masa presentan un ángulo de 45° respecto a la  dirección de la velocidad \( v_1 \)" ¿debo tomar 3 "momentos? ¿Uno al comienzo, otro cuando están tocándose (durante la colisión) y otro cuando salen disparadas luego de la colisión?

Solo para asegurarme de eso antes de comenzar el ejercicio.

Saludos,
Franco.

20 Mayo, 2021, 03:40 am
Respuesta #2

Richard R Richard

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Vi que dice esferas, y también das el radio como un dato. ¿Por lo que a diferencia de problemas previos de colisión, aquí debo tomar en cuenta que las esferas ruedan verdad?


Pensar que ruedan, implica que tengan energía  cinetica rotacional, Bien podría indicarse y resolverse, pero  no, no he sido tan malo  , >:D
 elegí esferas de radios iguales por si es que haces un esquema,  veas que el CM del sistema no esta sobre la misma recta que se mueve \( m_1 \) y que hay un punto claro de contacto.


Agrego: ¿También al momento de utilizar la conservación de de la cantidad de momento lo puedo hacer sin problemas? Y supongo que para la conservación de la energía cinética debo no solo tomar en cuenta la energía cinética del movimiento de la esfera si no también de su rotación ¿Es correcto?


Deja de lado la rotación, resuélvelo como si fuera un disco circular, que desliza sobre su base en un plano sin rozamiento e impacta en otro disco.


Si usa  todas las conservaciones que conozcas , en particular para el c , allí debes ver si el sistema rota y si lo hace porque?.


2do Agregado: No se como imponer el hecho de que "durante la colisión la recta que une los centros de masa presentan un ángulo de 45° respecto a la  dirección de la velocidad \( v_1 \)" ¿debo tomar 3 "momentos? ¿Uno al comienzo, otro cuando están tocándose (durante la colisión) y otro cuando salen disparadas luego de la colisión?




 Lamento haber ido mas lejos


el momento se debe conservar en todas las direcciones, define el eje x y su perpendicular y, plantea como se conserva el momento lineal, en cada eje. tienes 2 ecuaciones
por otro lado también se conserva la energía


son 3 ecuaciones y 4 incógnitas sabes como buscar información de donde sale la 4 ecuación?


veamos ese tip, cuando pienses el problema en un SR solidario al CM, puedes resolver el problema usando coordenadas, normales y tangentes al punto de choque...  es ahí donde es util esta forma de resolver problemas de colisiones. No tanto lo de ma masa reducida, que lo veremos mas adelante en c) creo que podremos ver cuanta energía se pierde en la colisión.



 
Spoiler
Disculpa me estaba equivocando

en ese  un SR donde la diferencia entre los ángulos de salida de las dos masas siempre es 90° siempre , no porque sean 2 ángulos de 45 , sea cual fuere el angulo de choque es lo mismo, eso te da una relación trigonométrica entre los ángulos es decir la cuarta ecuación...


tómalo con calma y ve planteando cada ecuación. si no


pasate por


http://laplace.us.es/wiki/index.php/Colisiones_de_dos_part%C3%ADculas
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/dinamica/con_mlineal/choques2/choques2.htm


si ves que es muy complejo  te propongo algo mas simple




[cerrar]
 
Saludos  \(\mathbb {R}^3\)

20 Mayo, 2021, 02:00 pm
Respuesta #3

franma

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Buenas Richard,

Creo que no estoy entendiendo bien como se da el choque, al momento imagino algo así:




Aquí el ángulo entre la linea roja (que conecta los CM) y la punteada (eje X) son los 45º de la letra:



Y esto ya seria luego de la colisión (¿es erróneo asumir que la masa 2 saldrá a un ángulo de 45º?)



Y cuando hablas de 4 incógnitas, ¿a que te refieres? Probablemente me este dejando pasar algo por alto, pero yo solo veo que debemos despejar la velocidad final de ambos cuerpos.

Saludos,
Franco.

PD: Hoy y mañana no podre hacer mucho con el ejercicio ya que tengo ejercicios pendientes de cálculo, pero el fin de semana además de hacer mi hoja de ejercicios de física como es usual, hare este ejercicio también.

20 Mayo, 2021, 05:11 pm
Respuesta #4

Richard R Richard

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Vas bien encaminado el impacto sucede como lo dibujas en tu segunda imagen, el ángulo de salida se deduce, fijate en los dos apuntes que te he pasado, sino traspaso la deducción que en principio me parecía fácil.


la 4 incógnitas son\(  v_{1f},{v_2f},\theta_{1f},\theta_{2f} \)
Saludos  \(\mathbb {R}^3\)

20 Mayo, 2021, 10:34 pm
Respuesta #5

franma

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Buenas Richard ,

Vas bien encaminado el impacto sucede como lo dibujas en tu segunda imagen, el ángulo de salida se deduce, fijate en los dos apuntes que te he pasado, sino traspaso la deducción que en principio me parecía fácil.

la 4 incógnitas son\(  v_{1f},{v_2f},\theta_{1f},\theta_{2f} \)

Voy planteando lo que tengo:

Por conservación de la cantidad de movimiento:

\( p_i \hat{i} = 3mv_1 \hat{i} \)
\( p_i \hat{j} = 0 \)

\( p_f \hat{i} = 3mv_{f1} \cdot cos(\theta_1) + mv_{f2} \cdot cos(\theta_2) \)
\( p_f \hat{j} = 3mv_{f1} \cdot sin(\theta_1) + mv_{f2} \cdot sin(\theta_2) \)

Por conservación de la energía cinética (choque elástico):

\( K_i = \dfrac{3mv_1^2}{2} \)

\( K_f = \dfrac{3mv_{f1}^2}{2} + \dfrac{mv_{f2}^2}{2} \)


Al momento entonces puedo armar el siguiente sistema de ecuaciones (se que se pueden cancelar términos, simplificar etc. quiero antes de comenzar con el algebra terminar el análisis físico de la situación) :

(1):  \( 3mv_1 \hat{i} = 3mv_{f1} \cdot cos(\theta_1)\hat{i} + mv_{f2} \cdot cos(\theta_2)\hat{i} \)

(2):  \( 0 = 3mv_{f1} \cdot sin(\theta_1)\hat{j} + mv_{f2} \cdot sin(\theta_2)\hat{j} \)
 
(3):  \( \dfrac{3mv_1^2}{2} = \dfrac{3mv_{f1}^2}{2} + \dfrac{mv_{f2}^2}{2} \)

¡Pero tenemos solo 3 ecuaciones para 4 incógnitas...! Tranquilidad, pues estoy todavía pensando en eso... hasta el momento se que la distancia entre ambos centros de masa es \( h=sin(45) \cdot 2R \) así que lo único que falta es alguna manera de relacionar esta distancia con el ángulo de salida de una o ambas masas.

Todavía le estoy dando vueltas a ese asunto y no logro encontrar la relación... pero se que la hay (por haber leído material  :laugh:) ¿Alguna pista más para deducirla?

Saludos,
Franco.

21 Mayo, 2021, 12:17 am
Respuesta #6

robinlambada

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¡Pero tenemos solo 3 ecuaciones para 4 incógnitas...! Tranquilidad, pues estoy todavía pensando en eso... hasta el momento se que la distancia entre ambos centros de masa es \( h=sin(45) \cdot 2R \) así que lo único que falta es alguna manera de relacionar esta distancia con el ángulo de salida de una o ambas masas.

Todavía le estoy dando vueltas a ese asunto y no logro encontrar la relación... pero se que la hay (por haber leído material  :laugh:) ¿Alguna pista más para deducirla?

Saludos,
Franco.


Si, la clave es que la dirección de movimiento de la bola que estaba inicialmente en reposo , la dirección de \( \vec{v_2} \), es la dirección que une los centros  de ambas esferas en el momento del impacto.

Saludos.
Envejecer es como escalar una gran montaña: mientras se sube las fuerzas disminuyen, pero la mirada es más libre, la vista más amplia y serena.

La verdadera juventud una vez alcanzada, nunca se pierde.

21 Mayo, 2021, 12:27 am
Respuesta #7

franma

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Buenas robinlambada ,

Si, la clave es que la dirección de movimiento de la bola que estaba inicialmente en reposo , la dirección de \( \vec{v_2} \), es la dirección que une los centros  de ambas esferas en el momento del impacto.

Saludos.

¿Entonces \( \theta_2 \) pasaría a ser dato y quedarían 3 ecuaciones para 3 incógnitas?
Lamentablemente no me termino de dar cuenta como se deduce eso...  :-\

Saludos,
Franco.

21 Mayo, 2021, 01:45 am
Respuesta #8

robinlambada

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Buenas robinlambada ,

Si, la clave es que la dirección de movimiento de la bola que estaba inicialmente en reposo , la dirección de \( \vec{v_2} \), es la dirección que une los centros  de ambas esferas en el momento del impacto.

Saludos.

¿Entonces \( \theta_2 \) pasaría a ser dato y quedarían 3 ecuaciones para 3 incógnitas?
Lamentablemente no me termino de dar cuenta como se deduce eso...  :-\

Saludos,
Franco.
Si, exacto. Entiendo que se podría deducir de la conservación del momento angular del sistema. Intuitivamente la dirección que toma la bola en reposo es como si las esferas "chocaran de lleno"  , la velocidad de la esfera inicialmente en reposo si depende del ángulo de incidencia.

Saludos.
P.D.: Mañana lo compruebo, ahora me voy a dormir que mañana madrugo.
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21 Mayo, 2021, 02:20 am
Respuesta #9

franma

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Buenas,

Muchas gracias por la ayuda robinlambada que descanses  :).
Volviendo al tema de la resolución del ejercicio... creo que ahora no son mis limitados conocimientos físicos el problema si no el algebra.

Estoy teniendo serias dificultades al intentar despejar cualquier variable  :banghead:  :banghead: , en ejercicios de colisiones anteriores al tener los términos de la energía al cuadrado, generalmente se hacia mas sencillo al poder usar alguna diferencia de cuadrados etc.

Pero aquí al tener 3 ecuaciones ya me mareo bastante mas, seguiré intentando mañana (si tengo tiempo) y ver si puedo simplificar algo mas las cuentas.

Saludos,
Franco.