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9.8: Colisões em várias dimensões

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    Objetivos de

    • Expresse o momentum como um vetor bidimensional
    • Escreva equações para conservação de momento em forma de componente
    • Calcule o momento em duas dimensões, como uma quantidade vetorial

    É muito mais comum que colisões ocorram em duas dimensões; ou seja, o ângulo entre os vetores de velocidade iniciais não é zero nem 180°. Vamos ver quais complicações surgem disso.

    A primeira ideia que precisamos é que o momento é um vetor; como todos os vetores, ele pode ser expresso como uma soma de componentes perpendiculares (geralmente, embora nem sempre, um componente x e um componente y, e um componente z, se necessário). Assim, quando escrevemos a declaração de conservação do momento para um problema, nossos vetores de momentum podem ser, e geralmente serão, expressos na forma de componentes.

    A segunda ideia que precisamos vem do fato de que o momentum está relacionado à força:

    \[\vec{F} = \frac{d \vec{p}}{dt} \ldotp\]

    Expressando a força e o momento em forma de componente,

    \[F_{x} = \frac{dp_{x}}{dt}, F_{y} = \frac{dp_{y}}{dt}, F_{z} = \frac{dp_{z}}{dt} \ldotp\]

    Lembre-se de que essas equações são simplesmente a segunda lei de Newton, na forma vetorial e na forma de componentes. Sabemos que a segunda lei de Newton é verdadeira em cada direção, independentemente das outras. Conclui-se, portanto, (via terceira lei de Newton) que a conservação do momentum também é verdadeira em cada direção de forma independente.

    Essas duas ideias motivam a solução para problemas bidimensionais: escrevemos a expressão para conservação do momento duas vezes: uma na direção x e outra na direção y.

    \[p_{f,x} = p_{1,i,x} + p_{2,i,x} \label{9.18}\]

    \[p_{f,y} = p_{1,i,y} + p_{2,i,y}\]

    Esse procedimento é mostrado graficamente na Figura\(\PageIndex{1}\).

    A Figura a, intitulada quebrar o momento inicial em componentes x e y, mostra o vetor p 1 i como uma seta sólida apontando para a direita e para baixo. Seus componentes são mostrados como setas tracejadas: p 1 i y aponta abaixo da cauda de p 1 i e p 1 i x pontos à direita da cabeça de p 1 i y até a cabeça de p 1 i. O vetor p 2 i é mostrado como uma seta sólida com a cauda na cabeça do vetor p 1 i e é menor que p 1 i. O vetor p 2 i aponta para a direita e para cima. Seus componentes são mostrados como setas tracejadas: p 2 i x pontos à direita da cauda de p 2 i e p 2 i y pontos acima da cabeça de p 2 i x até a cabeça de p 2 i. O vetor p f aponta da cauda de p 1 i até a cabeça de p 2 i, apontando para a direita e ligeiramente para baixo. A Figura b intitulada adicionar componentes x e y para obter os componentes x e y do momento final mostra as somas vetoriais dos componentes. P 1 i y é uma seta para baixo. P 2 i y é uma seta mais curta para cima, alinhada com sua cauda na cabeça de P 1 i y. P f y é uma seta curta para baixo que começa na cauda de P 1 i y e termina na cabeça de P 2 i y. P 1 i x é uma seta para a direita. P 2 i x é uma seta mais curta para a direita, alinhada com sua cauda na cabeça de P 1 i x. P f x é uma flecha longa para a direita que começa na cauda de P 1 i x e termina na cabeça de P 2 i x. A Figura c, intitulada adicionar x e y componentes do momento final, mostra o triângulo reto formado pelos lados p f x e p f y e hipotenusa p f. As setas da figura b indicam que p f x e p f y são iguais nas figuras b e c.
    Figura\(\PageIndex{1}\): (a) Para problemas de momentum bidimensionais, divida os vetores de momento iniciais em seus componentes x e y. (b) Adicione os componentes x e y separadamente. Isso fornece os componentes x e y do momento final, que são mostrados como vetores tracejados vermelhos. (c) A adição desses componentes dá o impulso final.

    Resolvemos cada uma dessas equações de dois componentes de forma independente para obter os componentes x e y do vetor de velocidade desejado:

    \[v_{f,x} = \frac{m_{1} v_{1,i,x} + m_{2} v_{2,i,x}}{m}\]

    \[v_{f,y} = \frac{m_{1} v_{1,i,y} + m_{2} v_{2,i,y}}{m}\]

    (Aqui, m representa a massa total do sistema.) Finalmente, combine esses componentes usando o teorema de Pitágoras,

    \[v_{f} = |\vec{v}_{f}| = \sqrt{v_{f,x}^{2} + v_{f,y}^{2}} \ldotp\]

    Estratégia de resolução de problemas: conservação do momentum em duas dimensões

    O método para resolver um problema bidimensional (ou mesmo tridimensional) de conservação do momento é geralmente o mesmo que o método para resolver um problema unidimensional, exceto que você precisa conservar o momento em ambas (ou nas três) dimensões simultaneamente:

    1. Identifique um sistema fechado.
    2. Anote a equação que representa a conservação do momento na direção x e resolva-a para a quantidade desejada. Se você estiver calculando uma quantidade vetorial (velocidade, normalmente), isso fornecerá o componente x do vetor.
    3. Anote a equação que representa a conservação do momento na direção y e resolva. Isso fornecerá o componente y da sua quantidade vetorial.
    4. Supondo que você esteja calculando uma quantidade vetorial, use o teorema de Pitágoras para calcular sua magnitude, usando os resultados das etapas 3 e 4.

    Exemplo 9.14: Colisão de trânsito

    Um pequeno carro de massa de 1200 kg viajando para o leste a 60 km/h colide em um cruzamento com um caminhão de massa de 3000 kg que viaja para o norte a 40 km/h (Figura\(\PageIndex{2}\)). Os dois veículos estão trancados juntos. Qual é a velocidade dos destroços combinados?

    Um sistema de coordenadas x y é mostrado. Uma grande massa de caminhão m T = 3000 kg está se movendo para o norte em direção à origem com velocidade v T. Uma massa de carro pequeno m c = 1200 kg está se movendo para o leste em direção à origem com velocidade v c, que é menor que v T.
    Figura\(\PageIndex{2}\): Um caminhão grande que se move para o norte está prestes a colidir com um carro pequeno que se move para o leste. O vetor de momento final tem componentes x e y.

    Estratégia

    Primeiramente, precisamos de um sistema fechado. O sistema natural a ser escolhido é o (carro + caminhão), mas esse sistema não está fechado; o atrito da estrada atua nos dois veículos. Evitamos esse problema restringindo a pergunta a encontrar a velocidade no instante logo após a colisão, para que o atrito ainda não tenha tido nenhum efeito no sistema. Com essa restrição, o momentum é conservado para esse sistema.

    Como há duas direções envolvidas, fazemos a conservação do momento duas vezes: uma na direção x e outra na direção y.

    Solução

    Antes da colisão, o momento total é

    \[\vec{p} = m_{c} \vec{v}_{c} + m_{T} \vec{v}_{T} \ldotp\]

    Após a colisão, os destroços ganham impulso

    \[\vec{p} = (m_{c} + m_{T}) \vec{v}_{w} \ldotp\]

    Como o sistema está fechado, o momentum deve ser conservado, então temos

    \[m_{c} \vec{v}_{c} + m_{T} \vec{v}_{T} = (m_{c} + m_{T}) \vec{v}_{w} \ldotp\]

    Temos que ter cuidado; os dois momentos iniciais não são paralelos. Devemos adicionar vetorialmente (Figura\(\PageIndex{3}\)).

    A seta p c aponta horizontalmente para a direita. A seta para cima aponta verticalmente para cima. A cabeça de p t encontra a cauda de p c. P t é maior que p t. Uma linha tracejada é mostrada da cauda de p t até a cabeça de p c. O ângulo entre a linha tracejada e p t, na cauda de p t, é rotulado como teta.
    Figura\(\PageIndex{3}\): Adição gráfica de vetores de momentum. Observe que, embora a velocidade do carro seja maior que a do caminhão, seu impulso é menor.

    Se definirmos a direção+x para apontar para o leste e a direção+y para o norte, como na figura, então (convenientemente),

    \[\vec{p}_{c} = p_{c}\; \hat{i} = m_{c} v_{c}\; \hat{i}\]

    \[\vec{p}_{T} = p_{T}\; \hat{j} = m_{T} v_{T}\; \hat{j} \ldotp\]

    Portanto, na direção x:

    \[m_{c} v_{c} = (m_{c} + m_{T}) v_{w,x}\]

    \[v_{w,x} = \left(\dfrac{m_{c}}{m_{c} + m_{T}}\right) v_{c}\]

    e na direção y:

    \[m_{T} v_{T} = (m_{c} + m_{T}) v_{w,y}\]

    \[v_{w,y} = \left(\dfrac{m_{T}}{m_{c} + m_{T}}\right) v_{T} \ldotp\]

    A aplicação do teorema de Pitágoras dá

    \[\begin{split} |\vec{v}_{w}| & = \sqrt{\Big[ \left(\dfrac{m_{c}}{m_{c} + m_{T}}\right) v_{c} \Big]^{2} + \Big[ \left(\dfrac{m_{T}}{m_{c} + m_{T}} \right) v_{T} \Big]^{2}} \\ & = \sqrt{\Big[ \left(\dfrac{1200\; kg}{4200\; kg}\right) (16.67\; m/s) \Big]^{2} + \Big[ \left(\dfrac{3000\; kg}{4200\; kg}\right) (11.1\; m/s) \Big]^{2}} \\ & = \sqrt{(4.76\; m/s)^{2} + (7.93\; m/s)^{2}} \\ & = 9.25\; m/s \approx 33.3\; km/hr \ldotp \end{split}\]

    Quanto à direção, usando o ângulo mostrado na figura,

    \[\theta = \tan^{-1} \left(\dfrac{v_{w,x}}{v_{w,y}}\right) = \tan^{-1} \left(\dfrac{7.93\; m/s}{4.76\; m/s}\right) = 59^{o} \ldotp\]

    Esse ângulo está a leste do norte ou 31° no sentido anti-horário a partir da direção +x.

    Significância

    Na prática, os investigadores de acidentes geralmente trabalham na “direção oposta”; eles medem a distância das marcas de derrapagem na estrada (o que fornece a distância de parada) e usam o teorema da energia de trabalho junto com a conservação do momento para determinar as velocidades e direções dos carros antes do colisão. Vimos essa análise em uma seção anterior.

    Exercício 9.9

    Suponha que as velocidades iniciais não estivessem em ângulo reto uma com a outra. Como isso mudaria tanto o resultado físico quanto a análise matemática da colisão?

    Exemplo 9.15: Explosão de tanque de mergulho

    Um tanque de mergulho comum é um cilindro de alumínio que pesa 31,7 libras vazio (Figura\(\PageIndex{4}\)). Quando cheio de ar comprimido, a pressão interna está entre 2500 e 3000 psi (libras por polegada quadrada). Suponha que esse tanque, que estava imóvel, exploda repentinamente em três pedaços. A primeira peça, pesando 10 libras, dispara horizontalmente a 235 milhas por hora; a segunda peça (7 libras) dispara a 172 milhas por hora, também no plano horizontal, mas em um ângulo de 19° com a primeira peça. Qual é a massa e a velocidade inicial da terceira peça? (Faça todo o trabalho e expresse sua resposta final em unidades SI.)

    Um desenho de um tanque de mergulho explodindo e as três peças resultantes de tamanhos diferentes.
    Figura\(\PageIndex{4}\): Um tanque de mergulho explode em três pedaços.

    Estratégia

    Para usar a conservação do momentum, precisamos de um sistema fechado. Se definirmos o sistema como tanque de mergulho, esse não é um sistema fechado, pois a gravidade é uma força externa. No entanto, o problema exige apenas a velocidade inicial da terceira peça, para que possamos negligenciar o efeito da gravidade e considerar o tanque por si só como um sistema fechado. Observe que, para esse sistema, o vetor de momento inicial é zero.

    Escolhemos um sistema de coordenadas em que todo o movimento acontece no plano xy. Em seguida, escrevemos as equações para conservação do momento em cada direção, obtendo assim as componentes x e y do momento da terceira peça, das quais obtemos sua magnitude (via teorema de Pitágoras) e sua direção. Finalmente, dividir esse momento pela massa da terceira peça nos dá a velocidade.

    Solução

    Primeiro, vamos tirar todas as conversões em unidades SI do caminho:

    \[31.7\; lb \times \frac{1\; kg}{2.2\; lb} \rightarrow 14.4\; kg\]

    \[10\; lb \rightarrow 4.5\; kg\]

    \[235\; \frac{miles}{hour} \times \frac{1\; hour}{3600\; s} \times \frac{1609\; m}{mile} = 105\; m/s\]

    \[7\; lb \rightarrow 3.2\; kg\]

    \[172 \frac{mile}{hour} = 77\; m/s\]

    \[m_{3} = 14.4\; kg - (4.5\; kg + 3.2\; kg) = 6.7\; kg \ldotp\]

    Agora aplique a conservação do momentum em cada direção.

    As três peças do tanque de mergulho são mostradas em um sistema de coordenadas x y. A peça de tamanho médio está no eixo x positivo e tem impulso p 1 na direção mais x. A menor peça está em um ângulo teta acima do eixo x positivo e tem momento p 2. A maior peça está em um ângulo phi abaixo do eixo x negativo e tem momento p 3.

    Direção x:

    \[\begin{split} p_{f,x} & = p_{0,x} \\ p_{1,x} + p_{2,x} + p_{3,x} & = 0 \\ m_{1} v_{1,x} + m_{2} v_{2,x} + p_{3,x} & = 0 \\ p_{3,x} & = -m_{1} v_{1,x} - m_{2} v_{2,x} \end{split}\]

    Direção y:

    \[\begin{split} p_{f,y} & = p_{0,y} \\ p_{1,y} + p_{2,y} + p_{3,y} & = 0 \\ m_{1} v_{1,y} + m_{2} v_{2,y} + p_{3,y} & = 0 \\ p_{3,y} & = -m_{1} v_{1,y} - m_{2} v_{2,y} \end{split}\]

    Do nosso sistema de coordenadas escolhido, escrevemos os componentes x como

    \[\begin{split} p_{3,x} & = - m_{1} v_{1} - m_{2} v_{2} \cos \theta \\ & = - (4.5\; kg)(105\; m/s) - (3.2\; kg)(77\; m/s) \cos (19^{o}) \\ & = -705\; kg\; \cdotp m/s \ldotp \end{split}\]

    Para a direção y, temos

    \[\begin{split} p_{3,y} & = 0 - m_{2} v_{2} \sin \theta \\ & = - (3.2\; kg)(77\; m/s) \sin (19^{o}) \\ & = -80.2\; kg\; \cdotp m/s \ldotp \end{split}\]

    Isso dá a magnitude de p 3:

    \[\begin{split} p_{3} & = \sqrt{p_{3,x}^{2} + p_{3,y}^{2}} \\ & = \sqrt{(-705\; kg\; \cdotp m/s)^{2} + (-80.2\; kg\; \cdotp m/s)} \\ & = 710\; kg\; \cdotp m/s \ldotp \end{split}\]

    A velocidade da terceira peça é, portanto,

    \[v_{3} = \frac{p_{3}}{m_{3}} = \frac{710\; kg\; \cdotp m/s}{6.7\; kg} = 106\; m/s \ldotp\]

    A direção de seu vetor de velocidade é a mesma que a direção de seu vetor de momento:

    \[\phi = \tan^{-1} \left(\dfrac{p_{3,y}}{p_{3,x}}\right) = \tan^{-1} \left(\dfrac{80.2\; kg\; \cdotp m/s}{705\; kg\; \cdotp m/s}\right) = 6.49^{o} \ldotp\]

    Como\(\phi\) está abaixo do eixo −x, o ângulo real é 186,49° da direção +x.

    Significância

    As enormes velocidades aqui são típicas; um tanque explosivo de qualquer gás comprimido pode facilmente atravessar a parede de uma casa e causar ferimentos significativos ou morte. Felizmente, essas explosões são extremamente raras, em uma base percentual.

    Exercício 9.10

    Observe que a massa do ar no tanque foi negligenciada na análise e na solução. Como o método da solução mudaria se o ar fosse incluído? Qual a grande diferença que você acha que isso faria na resposta final?