Tipos de colisões na Física
As colisões na Física referem-se a interações intensas e de curta duração entre dois ou mais corpos, resultando em troca de momento linear e, em alguns casos, de energia cinética. Independentemente da natureza dos corpos envolvidos, o momento linear total do sistema é sempre conservado durante uma colisão, desde que não haja forças externas atuando.
Compreender os tipos de colisões é fundamental para analisar fenômenos que vão desde o choque de bolas de bilhar até a interação de partículas subatômicas, sendo um tema recorrente em provas de física do Ensino Médio, ENEM e vestibulares. A forma como a energia cinética é conservada ou dissipada é o critério principal para classificar essas interações.
Estudar os tipos de colisões permite prever os movimentos dos corpos após a interação, sendo essencial para diversas aplicações tecnológicas e científicas. É um conceito-chave para entender a dinâmica dos sistemas físicos.
Características Gerais das Colisões
Durante qualquer tipo de colisão, algumas características físicas são sempre observadas, independentemente da classificação específica:
- Forças Internas: As forças que os corpos exercem uns sobre os outros durante o choque são forças internas ao sistema, ou seja, elas não alteram o momento linear total do sistema.
- Duração Breve: A interação de colisão ocorre em um intervalo de tempo muito pequeno, o que nos permite desprezar a ação de forças externas não impulsivas durante o choque.
- Conservação do Momento Linear: Em um sistema isolado (sem forças externas atuando), o momento linear total antes da colisão é igual ao momento linear total depois da colisão. Isso é uma lei fundamental da física.
Tipos de Colisões
As colisões são classificadas principalmente com base na conservação ou não da energia cinética do sistema. Os principais tipos são:
Colisão Elástica
Uma colisão elástica é aquela em que tanto o momento linear quanto a energia cinética total do sistema são conservados. Nesse tipo de colisão, não há perda de energia na forma de calor, som ou deformação permanente.
Características da Colisão Elástica
- Momento linear total conservado:
P_antes = P_depois - Energia cinética total conservada:
Ec_antes = Ec_depois - Os corpos se separam após a colisão, mantendo suas formas originais.
Exemplo:
O choque entre duas bolas de bilhar perfeitamente rígidas, onde a energia antes e depois do choque é a mesma, e as bolas ricocheteiam sem deformação permanente ou perda de energia em outras formas. Outro exemplo teórico é a colisão entre partículas subatômicas.
Colisão Inelástica
A colisão inelástica ocorre quando o momento linear total do sistema é conservado, mas a energia cinética total não é. Parte da energia cinética inicial é transformada em outras formas de energia, como calor, som, deformação dos corpos ou energia potencial interna.
Características da Colisão Inelástica
- Momento linear total conservado:
P_antes = P_depois - Energia cinética total NÃO é conservada:
Ec_antes > Ec_depois(parte da energia é dissipada) - Os corpos geralmente se deformam ou se aquecem. Um caso extremo é quando os corpos se juntam e se movem como um único sistema após o choque.
Exemplo:
Um carro colide com uma parede e para, ou dois vagões de trem colidem e engatam, movendo-se juntos. A energia cinética inicial é transformada em calor (pelo atrito e deformação), som (do impacto) e energia de deformação permanente dos materiais.
Colisão Parcialmente Inelástica
A colisão parcialmente inelástica é o tipo mais comum de colisão no dia a dia. Nela, o momento linear total do sistema é conservado, mas a energia cinética total não é conservada. Os corpos se separam após a colisão, mas parte da energia cinética é dissipada. É um intermediário entre a colisão elástica e a inelástica perfeita (onde os corpos ficam unidos).
Características da Colisão Parcialmente Inelástica
- Momento linear total conservado:
P_antes = P_depois - Energia cinética total NÃO é conservada:
Ec_antes > Ec_depois - Os corpos perdem parte de sua energia, mas não ficam unidos. Há deformação e/ou geração de calor e som.
Exemplo:
Uma bola de basquete quica no chão, mas não atinge a altura inicial. Uma bola de futebol é chutada e se deforma momentaneamente, perdendo parte de sua energia na interação com o pé e o ar.
Coeficiente de Restituição (e)
Para quantificar o grau de elasticidade de uma colisão, utiliza-se o coeficiente de restituição (e), que é definido pela razão entre a velocidade relativa de afastamento e a velocidade relativa de aproximação dos corpos após e antes da colisão, respectivamente.
Fórmula do Coeficiente de Restituição
e = (velocidade de afastamento) / (velocidade de aproximação)
e = |(v2' - v1')| / |(v1 - v2)|
Onde:
– v1 e v2 são as velocidades dos corpos 1 e 2 antes da colisão.
– v1' e v2' são as velocidades dos corpos 1 e 2 depois da colisão.
Classificação baseada no e
| Tipo de Colisão | Coeficiente de Restituição (e) |
|---|---|
| Colisão Elástica | e = 1 |
| Colisão Inelástica | e = 0 |
| Colisão Parcialmente Inelástica | 0 < e < 1 |
Exercícios com Gabarito
1. (ENEM-2022)
Dois patinadores, A e B, de massas iguais, estão em repouso sobre uma superfície de gelo sem atrito. O patinador A empurra o patinador B, fazendo com que B adquira uma velocidade de 2 m/s. Se o sistema é isolado e a colisão pode ser considerada perfeitamente elástica nesse empurrão, qual a velocidade do patinador A após o empurrão?
- a) 0 m/s
- b) -1 m/s
- c) -2 m/s
- d) 1 m/s
- e) 2 m/s
Resposta: Alternativa c: Como as massas são iguais e a colisão é elástica (e = 1), e o movimento inicial é de repouso, a velocidade do patinador A será -2 m/s após o empurrão, para que o momento linear total seja conservado, com ele se movendo na direção oposta a B.
2. (VESTIBULAR-ITA-2021)
Uma esfera de massa m com velocidade v colide frontalmente com outra esfera idêntica (mesma massa m) que está em repouso. Se, após a colisão, as duas esferas se movem juntas, qual é o tipo de colisão e qual o coeficiente de restituição (e)?
- a) Elástica, e = 1
- b) Parcialmente inelástica, 0 < e < 1
- c) Inelástica, e = 0
- d) Inelástica, e > 1
- e) Elástica, e = 0
Resposta: Alternativa c: Se as duas esferas se movem juntas após a colisão, significa que não houve separação, caracterizando uma colisão perfeitamente inelástica. Nesses casos, o coeficiente de restituição e é igual a zero, pois a velocidade relativa de afastamento é zero.