An introduction to physics in the context of everyday objects.
How is Momentum Transferred From One Bumper Car to Another?
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Del curso dictado por University of Virginia
How Things Work: An Introduction to Physics
886 calificaciones
De la lección
Bumper Cars
Professor Bloomfield examines the physics concepts of momentum, impulse, angular momentum, angular impulse, and the relationship between potential energy and force using bumper cars.
Conoce a los instructores
Louis A. BloomfieldProfessor of Physics
¿Cómo se transfiere el ímpetu de un auto chocador a otro?
La respuesta es que el primer auto chocador aplica un impulso sobre
el segundo auto chocador. De la misma forma en que puedes transferir energía al hacer
trabajo, puedes transferir ímpetu aplicando
un impulso. ¿Qué es exactamente un impulso?
El impulso es una fuerza ejercida durante un tiempo.
Por ejemplo, aplico un impulso a este auto chocador empujándolo mientras
pasa el tiempo. El producto de mi fuerza sobre el auto chocador
multiplicada la duración de esa fuerza
es el impulso y se corresponde con la cantidad de ímpetu
que le transfiero al auto chocador. Dado que un impulso transfiere
una cantidad vectorial, es decir el ímpetu,
ese impulso es también una cantidad vectorial y apunta en la misma dirección
que la fuerza responsable del mismo. Por ejemplo, si empujo el auto chocador
hacia la derecha, el impulso apunta hacia la derecha,
y transfiere ímpetu hacia la derecha al auto chocador.
Si empujo al auto chocador hacia la izquierda, mi fuerza apuntará hacia la izquierda, el impulso
apuntará hacia la izquierda, y transferiré un ímpetu hacia la izquierda al auto chocador.
Por supuesto, en un parque de diversiones, la gente no suele transferir ímpetu a los autos chocadores.
Son los autos chocadores los que transfieren ímpetu a otros autos chocadores.
Aquí tengo un auto chocador
[SONIDO] que va aplicar un impulso sobre un segundo auto chocador.
Lo voy a hacer de modo que este auto choque a aquél
así, y aplicará un impulso hacia la derecha sobre un segundo auto chocador.
Aquí vamos. ¿Listos?
Por lo tanto, éste transfiere ímpetu a este otro.
En realidad, había
dos impulsos ocurriendo durante esa colisión.
Hemos visto uno: Éste aplicó impulso sobre ese otro, ejerció una fuerza sobre ese otro.
durante cierto tiempo. Pero simultáneamente, el segundo auto chocador
aplicó un impulso hacia atrás sobre el primero, en la dirección opuesta. Debía hacerlo. Es la tercera ley de Newton.
Mientras éste empuja a aquel otro, el segundo empuja hacia atrás sobre el primero
con la misma intensidad pero en dirección opuesta. Así que hubieron dos impulsos ocurriendo
simultáneamente. Ese auto chocador aplicó un impulso hacia la derecha
sobre el segundo auto chocador, pero al mismo tiempo, el segundo
auto chocador aplicó un impulso hacia la izquierda sobre el primero. Quiere decir que el segundo
auto transfiere ímpetu hacia la izquierda sobre el primero.
Pero un ímpetu hacia la izquierda es lo mismo que una cantidad negativa de ímpetu hacia la derecha.
Mientras este auto chocador estaba transfiriendo ímpetu hacia la derecha a éste,
el segundo auto chocador estaba quitándole ímpetu hacia la derecha
al primer auto chocador. Así es como funciona la transferencia.
El auto chocador de aquí transfiere ímpetu hacia la derecha al segundo auto chocador
y lo cede. Sale de éste y va a este otro.
Puedes verlo cuando se produce la colisión.
El primer auto chocador, básicamente ha perdido todo su ímpetu hacia la derecha, y el segundo auto chocador
se lo lleva. Puedes ver que éste casi se detiene,
y el segundo auto se lleva el ímpetu hacia la derecha que al principio tenía
el primer auto chocador. Las transferencias de ímpetu que
ocurren cuando estos dos autos chocan tiene que ser perfecto,
porque el ímpetu es una cantidad conservada. Cualquiera sea el ímpetu que reciba el segundo auto chocador
lo tiene que ceder el primer auto chocador.
Volvamos al hecho de que el impulso es proporcional tanto a la fuerza
que lo causa como al tiempo en que se aplica.
Es un resultado muy interesante. Voy a volver a empujar un único
auto chocador con la mano. Por supuesto, puedo aumentar la cantidad
de ímpetu que transfiero a ese auto chocador,
ya sea por empujar con más intensidad o empujando por más tiempo, pero eso no es
lo interesante. Lo que es notable es que puedo
transferir la misma cantidad de ímpetu al auto chocador con diferentes pares
de fuerza y duración. Mientras el producto de mi fuerza por
la duración no cambie, aplicaré el mismo impulso y la transferiré
la misma cantidad de ímpetu al auto chocador. Por ejemplo, puedo empezar ejerciendo una
fuerza media durante una cantidad media de tiempo. Aquí vamos.
Lo empujé con intensidad media durante una cantidad media de tiempo y allá va.
Pero puedo aplicar el mismo impulso, empujando con más intensidad durante un tiempo más corto.
Es lo mismo. O puedo repetirlo y transferir la misma cantidad de ímpetu usando
una fuerza más suave pero de mayor duración. Tengo varias opciones aquí.
¿Hay alguna consecuencia al cambiar esos pares de fuerza y duración?
Claro que sí. Cuanto más rápido se transfiere el ímpetu
la fuerza deberá tener una duración más corta y será más intensa.
Las fuerzas grandes pueden romper cosas. Por ejemplo, aquí tengo un martillo.
Voy a poner un poco de ímpetu hacia abajo en ese martillo
[SONIDO] antes de que se encuentre con un clavo sobre un trozo de
madera. Y cuando el martillo
choque con el clavo va a transferir todo su ímpetu hacia abajo
al clavo en la forma un impulso. El martillo ejercerá lo que se conoce como una fuerza de impacto
sobre el clavo, mientras transfiere su ímpetu al clavo.
Esa transferencia va a ocurrir en un abrir y cerrar de ojos. Es de corta duración, por lo que
la fuerza tiene que ser enorme. El martillo ejerce una fuerza tan grande
sobre el clavo que lo clava en la madera.
Lo intentaré de nuevo, pero esta vez
voy a fijar con cinta un tope de goma en la cabeza del martillo
antes de golpear el clavo. Listo.
Sacaré el clavo. Ahora, voy a tratar de martillar
sobre el clavo de nuevo. [SONIDO].
No funciona. [SONIDO].
Le estoy dando al martillo suficiente ímpetu hacia abajo antes de que golpee al clavo.
El martillo todavía transfiere la totalidad de su ímpetu hacia abajo
al clavo, pero de alguna manera no logra que se clave en la madera.
El problema es que el impulso que se está aplicando cuando el martillo golpea el clavo
implica tiempo mucho mayor ahora. El tapón de goma es blando
y prolonga el impacto. Por lo tanto, hay un largo impacto,
en consecuencia, tiene que haber una fuerza más pequeña, y eso es lo que pasa.
La fuerza [SONIDO] que se produce, la fuerza de impacto de este martillo de goma,
golpeando el clavo es demasiado pequeña como para meter el clavo en la madera.
De vez en cuando introduzco lo que yo llamo anuncios de servicio público durante el curso
de Cómo funcionan las cosas y éste es uno de ellos: Este tipo de pelota de béisbol
se usa en el deporte profesional y la he montado aquí sobre un mango para que parezca
martillo. Es extremadamente dura. Es tan dura que transfiere su ímpetu
a lo que golpee extremadamente rápido.
Debido a que la duración de impulso es tan breve la fuerza del impulso puede llegar a ser
enorme. Podrías clavar un clavo [SONIDO]
con este tipo de pelota de béisbol. Por el contrario, a una pelota algo
más blanda que tenga la misma masa, que lleve el mismo ímpetu, con la misma velocidad
que una pelota profesional, pero que tenga una superficie de algo más blanda,
le tomará a un poco más de tiempo transferir su ímpetu.
Con un impulso de mayor duración la fuerza de ese impulso será menor.
A estas bolas más blandas se las conoce como de golpe suave o de fuerza de impacto reducido
porque el impulso más largo implica una fuerza más pequeña. Una fuerza de impacto más pequeña.
Este tipo de pelota, [SONIDO]
no puede clavar un clavo. De hecho puedes martillar tu propia mano.
¡No lo intentes con una pelota para deporte
profesional! Mi consejo es el siguiente.
Ten cuidado con las bolas profesionales duras,
o considera cambiar a una bola más suave. Una bola dura que se mueve rápido es efectivamente
un martillo suelto, y puede causar lesiones graves o peor si te golpea en el
lugar equivocado. El tira y afloje entre fuerza
y duración también es importante con los autos chocadores.
Has visto estos autos chocadores con sus paragolpes de goma
Se llaman autos chocadores porque tienen paragolpes de goma para chocar.
Sin esos paragolpes, los bastidores de acero de los coches se golpearían y harían
transferir ímpetu demasiado rápido. Te lo puedo mostrar porque los paragolpes
se pueden sacar y ya se los he quitado a este par de autos chocadores.
Si los enciendo y los hago chocar
entre sí... [SONIDO] Este tipo de auto de chocador,
sin paragolpes no será muy divertido.
Las transferencias de ímpetu son tan rápidas, implican fuerzas tan grandes, que los coches
se dañarán entre sí. Y tú, como pasajero en uno de estos autos,
también experimentarás desagradables fuerzas grandes y aceleraciones rápidas.
No va a ser bueno. Si tienes la opción de ir
de pasajero en un auto chocador sin paragolpes, o simplemente autos sin paragolpes, evítalo.
Prefiere los autos chocadores con paragolpes.
Es momento de hacer una pregunta. Hemos visto que es muy posible usar
un martillo para clavar un clavo en el suelo.
Así que la pregunta es la siguiente: ¿Puedes usar un martillo para clavar un clavo en el techo?
No vas a tener problemas para clavar un clavo en el techo con un martillo.
Porque el impacto entre el martillo y el clavo se produce en un tiempo muy corto,
y transfiere el ímpetu del martillo
hacia arriba al clavo tan rápidamente que involucra una fuerza enorme.
Una fuerza que será capaz de meter el clavo directamente en el techo.
Posiblemente te preocupe la gravedad durante este proceso de martillar cabeza abajo, pero
la fuerza de la gravedad es tan pequeña en comparación con la fuerza
del martillo sobre el clavo durante el impacto que simplemente no influye en nada.
Prácticamente puedes ignorar la gravedad cuando se trata de martillar.
Los autos chocadores obtienen su ímpetu inicial hacia adelante desde el suelo.
Al igual que los autos comunes, los autos chocadores tienen ruedas motoras,
y utilizan las fuerzas de rozamiento entre esas ruedas en el suelo para lanzarse
hacia adelante. A medida que el suelo empuja el auto chocador
hacia delante, el coche acumula gradualmente ímpetu hacia adelante.
El impulso que está experimentando, mientras aumenta su velocidad implica una fuerza de rozamiento
relativamente débil desde el suelo ejercida durante un largo período.
Sin embargo, durante las colisiones las cosas suceden tan rápido que hay muy poco ímpetu
transferido al suelo. Las fuerzas de rozamiento entre las ruedas
y el suelo son demasiado débiles, y no hay tiempo suficiente para ningún
impulso significativo. Entonces, cuando dos autos chocadores chocan
están prácticamente en libertad durante la colisión.
Es como si no hubiese nada más en el universo.
Para simplificar voy a suponer que están completamente
libres. Ignoremos el suelo.
Dado que el ímpetu es una cantidad conservada la colisión puede redistribuir
su ímpetu, su ímpetu total, pero no puede cambiar ese total.
Su ímpetu total antes y después de la colisión tiene que ser el mismo.
Lo mismo vale para la energía. La colisión entre dos autos chocadores
puede redistribuir su energía total, pero no puede cambiar ese total.
Por desgracia, la colisión entre autos chocadores puede, y lo hace, triturar algo
de su energía ordenada en energía térmica de modo que ya no la vemos después
colisión. Pero esa pérdida de energía es relativamente
pequeña para los autos chocadores de modo que, para simplificar, voy a ignorarla.
Para los expertos, las colisiones perfectas, esas que no pierden energía,
son conocidas como colisiones elásticas. Aquellas en las que se pierde energía se dice
que son inelásticas. Las colisiones elásticas son más simple de entender
que las colisiones inelásticas. Considerar que los autos chocadores rebotan
perfectamente y no pierden energía simplifica enormemente las cosas,
sin cambiar en gran medida el resultado. Una colisión entre dos autos chocadores
tiene dos limitaciones importantes: su ímpetu total no puede cambiar,
y su energía total no puede cambiar, antes y después de la colisión.
Esas dos restricciones juntas determinan cómo los autos rebotan uno contra
el otro. El caso más simple es de dos autos chocadores idénticos
como los que tengo aquí. Estos autos chocadores tienen la misma masa,
son básicamente indistinguibles. La necesidad de que tengan el mismo
ímpetu total y la misma energía total después de la colisión que antes realmente
restringe la forma en que rebotan y aparecen estos efectos verdaderamente
interesantes, como en las colisiones frontales, es decir, las que son
íntegramente a lo largo de una línea. Intercambian sus movimientos.
Si tengo uno de ellos en reposo y lanzo el segundo contra él,
intercambian su movimiento. El segundo continúa como
si fuese el primero, y el primero sigue como
que si fuera el segundo. Funciona así.
Funciona así. Funciona si lanzo los dos juntos así.
Todas estas variaciones. Intercambian su lugar en realidad en lo que se refiere
a sus movimientos. Si el choque es descentrado, si no están
sobre la misma línea acercándose o apartándose, entonces consigues movimientos más
complicados. Pero aún así, están todos relacionados. Son rebotes muy restringidos
Es así como se comportarán los autos chocadores en la pista
si tuviesen idénticas masas. En realidad, ni siquiera necesitas autos chocadores
para ver algunos de estos efectos. Todos los objetos que son idénticos y que
rebotan casi perfectamente entre sí te servirán.
Por ejemplo, monedas. Aquí hay un montón de monedas de 25 centavos de dólar.
Y si hago chocar una de ellas con otra de frente, tiro perfecto,
intercambiarán sus movimientos. La primera se detiene.
La segunda sigue como si se tratara de la primera.
En realidad, puedes alinear una serie de monedas y si golpeo la primera
de frente, la última continuará como si fuera la primera.
Se trata de la conservación de ímpetu y energía durante una colisión
muy complicada que hace que la primera se detenga y la última
continúe. Se han hecho juguetes
basados en este principio que se conocen como 'péndulo de Newton'
o 'juguete de ejecutivos'. No habla muy bien de los ejecutivos, pero así es como se lo llama.
Tiene un conjunto de bolas muy elásticas. Están hechas de acero y rebotan
casi perfectamente una contra la otra, y si tomo la primera y la hago golpear
contra la fila entera bolas, la última salta.
Es una serie de colisiones en que las energía y el ímpetu deben
conservarse. La única forma en que puede funcionar es si el movimiento
se propaga a través de toda la fila de bolas y la última
continúa como si siguiera con lo que venía haciendo la primera.
[SONIDO] Es hora de presentar a los autos chocadores en toda su gloria. Y eso significa tener autos chocadores de diferentes masas.
Así que, traje una pequeña pista de autos chocadores.
En primer lugar, te puedo mostrar cosas que ya has visto antes.
Puedo tomar dos autos chocadores con tienen masas idénticas.
Se diferencian en el color, pero por lo demás, son idénticos.
Y si lanzo el verde contra el rojo, el rojo continua
con el movimiento del verde. Intercambian su movimiento.
Hasta ahora, todo bien. Pero las cosas realmente interesantes aparecen
cuando golpeo autos chocadores diferentes entre sí.
Es decir, aquellos que tienen masas sustancialmente diferentes, como este verde
y este pequeño rojo. Cuando entran en colisión, sucederá algo
diferente. Voy a hacer que el verde golpee
al rojo. [SONIDO] Simplemente patea al rojo fuera de su camino,
y el verde sigue como si nada. Observa de nuevo.
¿Por qué sucedió eso? La física no es difícil
de entender. Cuando el verde choca con
el rojo que está inmóvil, comienza a transferir dos
magnitudes físicas conservadas hacia la derecha. Está transfiriendo ímpetu por vía de un impulso
y está transfiriendo energía por medio de trabajo.
Utiliza la misma fuerza para hacer las dos transferencias, pero el impulso implica
fuerza por tiempo, mientras que el trabajo implica fuerza por distancia.
El pequeño rojo se mueve con facilidad durante el impacto.
Está siendo empujado, y se está acelerando e incrementando su velocidad, y
empezando a moverse por lo que el verde es capaz de hacer bastante trabajo sobre él.
Se desplaza en la dirección de la fuerza.
Por lo tanto, el verde está haciendo trabajo sobre él, y resulta que el verde
es capaz de hacer suficiente trabajo sobre el pequeño rojo como para ponerlo a distancia
antes de que haya tenido tiempo de transferir todo su ímpetu.
Así que el verde sigue en marcha. Sólo entrega parte
de su ímpetu al pequeño rojo. El pequeño rojo se escapa demasiado pronto
y se aleja en la distancia. A la inversa también es interesante.
Permíteme hacer que el pequeño rojo choque con el verde inmóvil.
Observa lo que sucede: El pequeño rojo rebota hacia atrás.
Lo hago de nuevo. ¿Qué pasó?
Cuando el pequeño rojo llega hasta el verde nuevamente tratará
de transferir las dos cantidades conservadas al verde,
ímpetu y energía. El ímpetu por medio de un impulso.
La energía por medio de trabajo. Entonces el rojo comienza a empujar sobre
el verde. Esa fuerza va a transferir las dos
cantidades conservadas. Pero el verde no se mueve.
Apenas. Es enorme.
Es muy difícil poner al verde en movimiento.
Así que no recorrerá una distancia larga durante la colisión. Por lo tanto, el rojo
es apenas capaz de pasar al verde algo de energía.
No puede hacer mucho trabajo sobre el verde casi inmóvil.
Pero el rojo trata, trata y trata, por lo el impacto dura
un largo tiempo. El rojo se las arregla para transferir todo
su ímpetu. Y transfiere incluso más ímpetu del que tenía.
Se dirigía hacia la derecha, le pasa todo su ímpetu hacia la derecha al verde
y algo extra. Y termina con un déficit
de ímpetu hacia la derecha, que conocemos como ímpetu hacia la izquierda.
Va hacia atrás. Trató de pasar al verde toda
su energía y su ímpetu. Pero no logró pasarle
mucha energía. Sin embargo, sí le pasó mucho ímpetu
y por eso va hacia atrás. Por lo tanto, todos estos impactos están haciendo
uso de estas transferencias, de energía y de ímpetu, tratando de que todo
salga bien, porque esas dos cantidades deben conservarse.
Esto explica mucho de lo que ves o experimentas en los autos chocadores.
Los coches de gran masa, los que llevan ocupantes con gran masa,
pasajeros pesados, prácticamente barren a los otros coches fuera de su camino
cuando los chocan. Les transfieren una gran cantidad
de energía a esos coches, pero no todo su ímpetu. Y así que estos autos de gran
masa siguen como si nada. Todavía tienen ímpetu después
del impacto. En la misma dirección en que lo tenían antes
del impacto. Los autos pequeños, por otra parte,
rebotan contra los otros autos cuando los chocan,
porque no logran transferir suficiente energía a esos autos, pero les transfieren
mucho ímpetu y rebotan hacia atrás.
Todo lo que he dicho sobre las colisiones de autos chocadores se aplica a muchas otras
colisiones. Así que te haré una pregunta.
Para atrapar una pelota con éxito, ¿por qué tienes que dejar que tus manos se muevan con la pelota
mientras choca con tus manos? Al dejar que sus manos se mueven con la pelota
mientras choca con tus manos, estás dejando que la pelota haga trabajo sobre tí
y te transfiera energía. En el proceso, transfiere su energía
y su ímpetu y termina en reposo. Así es como atrapas cosas.
Si sostienes tus manos rígidamente en su lugar mientras la pelota las choca, va a ser
capaz de transferirte ímpetu, pero no energía.
Efectivamente va rebotar como los pequeños autos chocadores rebotan
contra los grandes. [SONIDO] Rebotan hacia atrás.
[SONIDO] Eso es todo en lo que respecta al movimiento de traslación en los autos chocadores.
Hemos visto como el ímpetu pasa de un auto a otro durante las colisiones,
mientras se aplican impulso entre sí. Pero no todo el movimiento
de los autos chocadores se da en líneas rectas que pasan de aquí hasta acá.
Los autos chocadores también pueden rotar. Exhiben movimientos rotativos.
El vídeo a continuación es sobre el movimiento rotativo de los autos chocadores
y la cantidad de conservada asociada que se conoce como ímpetu angular.
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