Billar
Billar
Ley de conservación de la energía para una colisión
Las colisiones entre objetos son omnipresentes en la vida cotidiana, desde los accidentes automovilísticos hasta los choques entre partículas microscópicas. El juego de billar constituye un ejemplo particularmente interesante para estudiar estos fenómenos, ya que las bolas se desplazan sobre una superficie plana con rozamientos limitados. En esta actividad, vas a analizar un vídeo de colisión entre bolas de billar para verificar la conservación de la energía y de la cantidad de movimiento.
Descripción de la actividad:
El alumno analiza un vídeo de colisión entre dos bolas de billar con la ayuda del módulo de análisis cinemático de FizziQ. Después de calibrar la escala, sigue la posición de las bolas antes y después del impacto para determinar sus velocidades respectivas. Actividad adaptada al liceo.
Fizziq
Autor:
Duración:
20-40 minutos
Lo que harán los estudiantes:
'- Medir la velocidad de objetos en movimiento a partir de un análisis de vídeo.
- Calcular la energía cinética de un sistema mecánico real.
- Verificar experimentalmente la conservación de la energía durante una colisión.
- Identificar las causas físicas de las pérdidas de energía en una colisión real.
Conceptos científicos:
'- Energía cinética
- Conservación de la energía mecánica
- Colisión elástica
- Colisión inelástica
- Cantidad de movimiento
- Coeficiente de restitución
- Disipación de energía
- Análisis cinemático
Sensores:
'- Cámara (análisis de vídeo y seguimiento de posición)
Material necesario:
Smartphone con la aplicación FizziQ, Vídeo de colisión de bolas de billar (biblioteca FizziQ o vídeo personal), Cuaderno de experiencias para los cálculos
Procedimiento experimental:
Resultados esperados:
'- Las bolas se desplazan con velocidades medibles antes y después de la colisión.
- La energía cinética total después de la colisión es ligeramente inferior a la medida antes del impacto.
- Los gráficos de velocidad muestran una variación brusca en el momento del choque.
- Una pequeña pérdida de energía se observa, debida a los rozamientos y a la deformación.
Preguntas científicas:
'- ¿Por qué la energía cinética total después de la colisión es ligeramente inferior a la medida antes del choque?
- ¿Qué fenómenos físicos explican la disipación de energía durante una colisión real?
- ¿Cómo influye la rotación de las bolas en la conservación de la energía?
- ¿Cómo distinguir una colisión elástica de una colisión inelástica a partir de las medidas?
Explicaciones científicas:
Una colisión perfectamente elástica se caracteriza por la conservación simultánea de la energía cinética y de la cantidad de movimiento. La energía cinética se calcula por Ec = ½mv², donde m es la masa y v la velocidad. En una colisión real entre bolas de billar, se observa una ligera pérdida de energía cinética debida a las deformaciones elásticas de las bolas en el momento del impacto, a los rozamientos con la mesa, a la producción de sonido durante el choque y a la transferencia de energía en rotación (efecto). El coeficiente de restitución e = v_relativa_después/v_relativa_antes cuantifica la elasticidad de la colisión: e = 1 para una colisión perfectamente elástica, e = 0 para una colisión perfectamente inelástica. Para bolas de billar, e es típicamente de 0,93 a 0,98. La cantidad de movimiento p = mv se conserva siempre en una colisión (principio fundamental), lo que permite predecir las velocidades después del impacto si se conoce el coeficiente de restitución.
Actividades de ampliación:
'- Comparar colisiones entre bolas que se desplazan a diferentes velocidades iniciales.
- Estudiar la influencia del ángulo de colisión sobre el reparto de velocidades después del impacto.
- Utilizar objetos de masas diferentes para observar los efectos sobre la energía cinética.
- Comparar una colisión casi elástica con una colisión inelástica.
Preguntas frecuentes:
Q: ¿Qué es la conservación de la energía mecánica?
R: Una colisión perfectamente elástica se caracteriza por la conservación simultánea de la energía cinética y de la cantidad de movimiento.
Q: ¿Qué sensores de FizziQ se utilizan en esta actividad?
R: FizziQ da acceso a más de 50 tipos de medidas a través de los sensores integrados del smartphone. En esta actividad se utiliza el módulo de análisis cinemático por vídeo.