Diferencia entre revisiones de «Colisiones/Colisiones en tres dimensiones»
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Línea 2:
== Plano de colisión ==
Si únicamente actuan fuerzas centrales
{{Ecuación|<math> \vec{F_1}(\vec{r})=f(\|\vec{r_2}-\vec{r_1}\|)\frac{(\vec{r_2}-\vec{r_1})}{\| \vec{r_2}-\vec{r_1}\|}</math>|1|center}}
Línea 8 ⟶ 9:
Ahora bien, si la partícula blanco está en reposo, el vector velocidad inicial de la partícula incidente y la recta que une las dos partículas determinan un subespacio de dimensión menor o igual a 2. Podemos entonces elegir un sistema de coordenadas con el eje Z perpendicular a dicho plano y expresar la componente Z de la fuerza {{Eqnref|1}} del siguiente modo:
{{Ecuación|<math> F_{1z}(\vec{r})=m_1\ddot{z}_1=f(\|\vec{r_2}-\vec{r_1}\|)\frac{(z_2-z_1)}{\| \vec{r_2}-\vec{r_1}\|}</math>|2|center}}
{{Ecuación|<math> \begin{Bmatrix} z_1(0)=z_2(0) \\ \dot{z}_1(0)=\dot{z}_2(0)=0 \\ \ddot{z}_1(0)=\ddot{z}_2(0)=0 \end{Bmatrix}</math>|3|center}}
Donde
Haciendo entonces la suposición de que la componente Z del vector de posición es una función del tiempo infinitamente derivable, deduciremos que la función <math>g(\|\vec{r_2}-\vec{r_1}\|)=\cfrac{1}{m_1}\cfrac{f(\|\vec{r_2}-\vec{r_1}\|)}{\| \vec{r_2}-\vec{r_1}\|}</math>
{{Ecuación|<math> \cfrac{d^ng}{dt^n}=\sum_{i=0}^{n-1} {n-1 \choose i}\cfrac{d^ig}{dt^i}\left ( \cfrac{d^{n-1-i}z_2}{dt^{n-1-i}}-\cfrac{d^{n-1-i}z_2}{dt^{n-1-i}} \right ) </math>|4|center}}
La ecuación {{Eqnref|4}} indica que cada derivada se puede expresar como un sumatorio de algo por derivadas de <math>(z_2-z_1)</math> de orden inferior a la
== Sistema de laboratorio ==
En el plano de colisión, se puede escribir la conservación de la energía y del momento lineal en la forma:
{{Ecuación|<math> \left . \begin{matrix} p_1=p'_1 \cos \theta_1+p'_2\cos \theta_2 \\ 0=p'_1 \operatorname{sen} \theta_1-p'_2 \operatorname{sen} \theta_2 \\ \cfrac{p_1^2}{2m_1}= \cfrac{p_1{'2}}{2m_1}+\cfrac{p_2^{'2}}{2m_2} \end{matrix} \right \}</math>|5|center}}
Donde las variables sin primar corresponden al caso antes del choque y las primadas
{{Ecuación|<math> p_1^2+p_1^{'2}-2p_1p_1^' \cos \theta_1=p_2' </math>|6|center}}
{{Ecuación|<math> \cfrac{p_1'}{p_1}=\cfrac{m_1}{m_1+m_2} \cos \theta_1 \pm \left [ \left ( \cfrac{m_1}{m_1+m_2} \cos^2 \theta_1 + \cfrac{m_1-m_1}{m_1+m_2} \right ) \right ]^{1/2} </math>|7|center}}
Línea 37 ⟶ 39:
Una vez determinada <math>p_1'</math>, se puede calcular <math>p_2'</math> y <math>\theta_2</math>.
El
(a) Caso <math>m_1>m_2</math>
En este caso, el discriminante de {{Eqnref|7}} es negativo si <math>\theta_1>\theta_m</math>, siendo
{{Ecuación|<math> \cos^2\theta_m=1-\cfrac{m_2^2}{m_1^2}; 0<\theta_m<\cfrac{\pi}{2} </math>|8|center}}
Por lo tanto, <math>\theta_m</math> es el ángulo máximo de desviación de la partícula 1 y en el caso <math>m_1>>m_2</math>
En particular, <math>\theta_1=0</math> corresponde a los casos de ausencia de colisión (la partícula 1 pasa sin verse afectada por la 2) y
{{Ecuación|<math> \cfrac{p_1'}{p_1}=\cfrac{m_1-m_2}{m_1+m_2}; \theta_2=0; \cfrac{p_2'}{p_1}=\cfrac{2m_2}{m_1+m_1} </math>|9|center}}
(b) Cuando las masas de las partículas son iguales:
Línea 57 ⟶ 59:
{{Ecuación|<math> \cfrac{p_1'}{p_1}=\cos\theta_1; \cfrac{p_2'}{p_1}=\operatorname{sen}\theta_1; \theta_2=\cfrac{\pi}{2}-\theta_1 </math>|10|center}}
Se ve que <math>\theta_1+\theta_2=\cfrac{\pi}{2}</math>, es decir, en el sistema de laboratorio
En general, <math>\theta_1</math> varía desde 0 (sin colisión) a <math>\cfrac{\pi}{2}</math> (colisión frontal, con transferencia total de momento de una a otra partícula).
(c) Cuando <math>m_1>m_2</math>, todos los valores <math>0\le\theta_1\le\pi</math> son posibles. El caso de colisión frontal tiene como parámetros:
Línea 66 ⟶ 68:
== Sistema del centro de masas ==
En el sistema centro de masas las ecuaciones que plasman la conservación del momento lineal y energía son:
{{Ecuación|<math> \begin{matrix} \|p_1\|=\|p_2\|=p \\ \|p_1'\|=\|p_2'\|=p' \\ \left ( \cfrac{1}{2m_1}+\cfrac{1}{2m_2} \right ) p_2= \left ( \cfrac{1}{2m_1}+\cfrac{1}{2m_2} \right )p_2' \end{matrix}</math>|12|center}}
De donde se deduce que <math>p=p'</math>,
== Colisiones inelásticas ==
Hasta ahora hemos tratado el caso en que se conserva energía cinética (colisiones elásticas). Cuando dicha energía no se conserva, la colisión se conoce como inelástica. Una representación es considerar que las partículas emergentes son diferentes a las incidentes:
{{Ecuación|<math> 1+2 \rightarrow 3+4</math>|13|center}}
Finalmente, la expresión de las ecuaciones a resolver es:
{{Ecuación|<math> \begin{matrix} p_1=p_3\cos\theta_3+p_4\cos\theta_4 \\ 0=p_3\operatorname{sen}\theta_3-p_4\operatorname{sen}\theta_4 \\ T_1=T_3+T_4-Q \end{matrix}</math>|14|center}}
== Referencias ==
* {{Cita libro
| autor = Rañada y Menéndez Luarca, Antonio
|