4.1: Energía Cinética

Energía Cinética en Colisiones

Para obtener más información sobre el concepto de energía cinética y las formas en que es diferente del momento, es útil mirarlo en el mismo entorno en el que “descubrimos” el momento, es decir, colisiones unidimensionales en un sistema aislado. Si volvemos a mirar la colisión representada en la Figura 3.1.1 del Capítulo 3, reproducida a continuación,

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Tenga en cuenta que 1/18 + 4/9 = 9/18 = 1/2, y así

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En palabras, encontramos que, en esta colisión, el valor final de la energía cinética total es el mismo que su valor inicial, por lo que parece que hemos “descubierto” otra cantidad conservada (además del momento) para este sistema.

Esta creencia puede reforzarse si observamos a continuación la colisión representada en la Figura 3.1.2 del Capítulo 3, reproducida de nuevo a continuación. Recordemos que en ese entonces señalé que podemos pensar que esto es realmente la misma colisión que se muestra en la Figura 3.1.1, solo mirado desde otro marco de referencia (uno que se mueve inicialmente a la derecha a 1 m / s). Tendremos más que decir sobre cómo transformar cantidades de un marco de referencia a otro al final del capítulo.

Sin embargo, las cosas son muy diferentes cuando consideramos el tercer ejemplo de colisión que se muestra en el Capítulo 3, a saber, aquel en el que los dos objetos se pegan juntos después de la colisión.

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Lo que esto muestra, sin embargo, es que a diferencia del impulso total de un sistema, que no se ve afectado por las interacciones internas, la energía cinética total depende de los detalles de la interacción, y por lo tanto transmite cierta información sobre su naturaleza. Luego podemos refinar nuestro estudio de colisiones para distinguir dos tipos: las que recuperan la energía cinética inicial después de la colisión, a las que llamaremos elásticas, y las que no lo son, a las que llamamos inelásticas. Un caso especial de colisión inelástica es el llamado totalmente inelástico, donde los dos objetos terminan pegados, como en la Figura \(\pageIndex{3}\). Como veremos más adelante, el “déficit” de energía cinética es mayor en ese caso.

He dicho anteriormente que en una colisión elástica la energía cinética se “recupera”, y prefiero esta terminología a” conservada”, porque, de hecho, a diferencia del momento total, la energía cinética total de un sistema no permanece constante durante toda la interacción, ni siquiera durante una colisión elástica. El ejemplo más sencillo para mostrar esto sería una colisión frontal elástica entre dos objetos de igual masa, moviéndose a la misma velocidad uno hacia el otro. En el curso de la colisión, ambos objetos se detienen momentáneamente antes de que cambien de dirección y reboten, y en ese instante, la energía cinética total es cero.

También puede examinar las figuras \(\pageIndex{1}\) y \(\pageIndex{2}\) anteriores y calcular, a partir de los gráficos, el valor de la energía cinética total durante la colisión. Verá que se reduce al mínimo, y luego vuelve a su valor inicial (vea también la figura \(\pageIndex{4}\), más adelante en este capítulo). Convencionalmente, podemos hablar de energía cinética como “conservada” en colisiones elásticas, pero es importante darse cuenta de que estamos viendo un tipo de “conservación” diferente al que teníamos con el impulso total, que era constante antes, durante y después de la interacción, siempre que el sistema permaneciera aislado.

Las colisiones elásticas sugieren que, cualquiera que sea la naturaleza última de esta cosa que llamamos “energía”, puede ser posible almacenarla de alguna forma (en este caso, durante el curso de la colisión), y luego recuperarla, como energía cinética, eventualmente. Esto allana el camino para la introducción de otros tipos de “energía” además de la energía cinética, como veremos en un capítulo posterior, y la posibilidad de que la interconversión tenga lugar entre estos tipos. Por el momento, simplemente diremos que en una colisión elástica una cierta cantidad de energía cinética se almacena temporalmente como una especie de “energía interna”, y después de la colisión se convierte de nuevo en energía cinética; mientras que, en una colisión inelástica, una cierta cantidad de energía cinética se convierte irrevocablemente en una “energía interna”, y nunca la recuperamos.

Dado que lo que suceda en última instancia depende de los detalles y la naturaleza de la interacción, seremos llevados a distinguir entre interacciones “conservadoras”, donde la energía cinética se almacena reversiblemente como alguna otra forma de energía en algún lugar, e interacciones “disipativas”, donde la conversión de energía es, al menos en parte, irreversible. Claramente, las colisiones elásticas se asocian con interacciones conservadoras y las colisiones inelásticas se asocian con interacciones disipativas. Sin embargo, esta clasificación preliminar de las interacciones tendrá que revisarse un poco más cuidadosamente en el próximo capítulo.