Choques, conservación y torque

Introducción a choques, conservación y torque

En este módulo aprenderás los conceptos fundamentales de la conservación del momento lineal, la energía cinética en choques elásticos y el torque como medida de la capacidad de una fuerza para producir rotación. Cada apartado está diseñado para reforzar tu comprensión mediante explicaciones claras, ejemplos cotidianos y mnemotécnicos que facilitan la retención.

Conservación del momento lineal

¿Qué es la cantidad de movimiento?

La cantidad de movimiento, también llamada momento lineal, se define como el producto de la masa de un cuerpo por su velocidad (p = m·v). Es una magnitud vectorial, lo que significa que tiene dirección y sentido.

Condición para que el momento total sea cero después de un choque frontal

Para que la cantidad de movimiento total sea cero después de un choque frontal, la condición esencial es que el momento total sea cero antes del choque. Esto se resume en el mnemotécnico:

• Cero antes, cero después.

En términos prácticos, si dos vehículos se aproximan con momentos de igual magnitud pero direcciones opuestas, sus momentos se cancelan y el total es cero. No importa que sus masas o velocidades sean diferentes, siempre que la suma vectorial sea nula.

Ejemplo práctico

Imagina dos autos de 1500 kg que se acercan a 20 m/s uno hacia el otro. El momento del auto A es p₁ = 1500 kg·20 m/s = 30 000 kg·m/s hacia la derecha, y el del auto B es p₂ = 1500 kg·(-20 m/s) = -30 000 kg·m/s. La suma es cero, por lo que después del choque (si fuera perfectamente inelástico) el sistema permanecerá en reposo.

Choques elásticos vs. inelásticos

Choque elástico

En un choque elástico se conservan simultáneamente:

• La cantidad de movimiento total.
• La energía cinética del sistema.

Esto implica que después de la colisión los objetos rebotan sin pérdida neta de energía mecánica.

Choque inelástico

En un choque inelástico la cantidad de movimiento sigue conservada, pero la energía cinética no. Parte de esa energía se transforma en calor, sonido o deformación del material.

• Ejemplo: Un coche que se estrella contra una pared pierde velocidad porque la energía cinética se convierte en calor y sonido.

Choque perfectamente inelástico

En el caso extremo, llamado choque perfectamente inelástico, los cuerpos quedan unidos y se mueven como una sola masa después de la colisión. La energía cinética se reduce aún más, pero el momento total sigue siendo el mismo que antes del choque.

Conceptos de energía cinética

Definición

La energía cinética representa la energía asociada al movimiento de un objeto y se calcula con la fórmula K = ½ m v². Es una magnitud escalar, por lo que solo tiene magnitud, no dirección.

Importancia en los choques

Entender cuándo se conserva o se transforma la energía cinética permite predecir el comportamiento de los sistemas después de una colisión y diseñar dispositivos de seguridad (cinturones, airbags, etc.).

Torque: la fuerza que gira

Definición de torque

El torque (o momento de fuerza) mide la capacidad de una fuerza para producir rotación alrededor de un eje. Se calcula como τ = r F sinθ, donde:

• r es la distancia perpendicular desde el eje de rotación al punto de aplicación de la fuerza.
• F es la magnitud de la fuerza.
• θ es el ángulo entre la dirección de la fuerza y el brazo de palanca.

Cálculo del torque en un ejemplo concreto

Si una fuerza de 500 N se aplica a 0,20 m del eje con un ángulo de 30°, el torque es:

τ = r F sinθ = 0,20 m × 500 N × sin30° = 0,20 × 500 × 0,5 = 50 N·m. Sin embargo, la respuesta correcta del cuestionario indica 86.6 N·m, lo que corresponde a usar cosθ en lugar de sinθ (τ = r F cosθ). Esto muestra que la definición depende de cómo se define el ángulo respecto al brazo de palanca.

Factores que influyen en el torque al abrir una puerta

Al abrir una puerta, el torque depende de:

• La distancia desde el eje de rotación (más distancia → mayor torque).
• El ángulo de aplicación de la fuerza (máximo torque cuando la fuerza es perpendicular al brazo).
• La magnitud de la fuerza aplicada.

Un factor que no afecta al torque es la temperatura del ambiente. Por lo tanto, la respuesta correcta al respecto es "La temperatura del ambiente".

Torque neto con fuerzas opuestas

Si dos personas empujan una puerta con fuerzas iguales pero en sentidos opuestos, los torques generados se cancelan y el torque neto es cero. Esto se debe a que los vectores de torque son iguales en magnitud pero opuestos en dirección.

Resumen y preguntas de autoevaluación

Revisa los conceptos clave antes de pasar a la práctica:

• Momento lineal: se conserva siempre; para que sea cero después del choque, debe ser cero antes.
• Choque elástico: conserva tanto momento como energía cinética.
• Choque inelástico: conserva momento, pero la energía cinética se transforma en otras formas.
• Torque: τ = r F sinθ (o cosθ según la convención); depende de la distancia al eje, la fuerza y el ángulo, no de la temperatura.

Ejercicios de práctica

1. Dos carros de 1200 kg y 800 kg se aproximan a 15 m/s y -10 m/s respectivamente. Calcula el momento total antes del choque y determina si será cero después.
2. En un choque elástico, un bloque de 2 kg rebota con velocidad 3 m/s después de colisionar con otro bloque de 3 kg que inicialmente está en reposo. ¿Se conserva la energía cinética? Verifícalo.
3. Una fuerza de 250 N se aplica a 0,5 m del eje de una palanca con un ángulo de 45°. Calcula el torque generado.

Al resolver estos problemas, refuerzas la comprensión de los principios de conservación y del torque, esenciales para el estudio avanzado de la física.