Colisões elásticas e inelásticas

O que um jogo de sinuca, uma batida entre automóveis e as colisões entre partículas em aceleradores tem em comum? Aprenda mais sobre os tipos de colisões!

Você já jogou sinuca ou bola de gude? Ou ainda, viu ou presenciou (tomara que não) um acidente de trânsito onde houve uma colisão? Tanto nos jogos, quanto na colisão entre carros no trânsito, o princípio de conservação de quantidade de movimento é utilizado. E em específico as colisões.

No jogo de sinuca, o jogador deve bater com o taco em uma bola branca que irá acertar as demais bolas. Ao serem atingidas, essas bolas são direcionadas até as caçapas. No jogo de bola de gude, o jogador deve tentar tirar as bolas do adversário. Ele faz isso arremessando a sua bola na direção das primeiras. E em batidas de carros… Bom isso depende muito da prudência dos motoristas. Mas o que isso tudo tem haver com as colisões dentro de aceleradores de partículas? Saiba mais sobre esses fenômenos nesse post de Física.

Fases das colisões: deformação e restituição

Nos exemplos citados (sinuca, jogo de bola de gude e batidas entre automóveis no trânsito) acontecem colisões entre os corpos. Essas colisões ocasionam trocas de forças que ocorrem em intervalos de tempo muito pequenos e modificam as características iniciais dos objetos envolvidos. Nesses e em outros casos, onde ocorrem colisões entre corpos, é possível dividir o evento em duas fases distintas: deformação e restituição. Vamos analisá-las:

Deformação: Esta fase se inicia quando ocorre o primeiro contato entre os corpos no momento da colisão. Aqui a energia cinética que os corpos possuíam anteriormente à colisão pode ser transformada, totalmente ou parcialmente, em energia elástica. No instante em que ocorre esta transformação de energia, os corpos que colidem param instantaneamente. Assim, a energia potencial elástica é armazenada, e convertida novamente em energia cinética na fase de restituição.

colisões - choque entre bolas de bilhar e as sequências de fases de deformação e restituição
Figura 1: Choque entre bolas de bilhar e as sequências de fases de deformação e restituição.

Restituição: Em uma situação ideal, toda a energia potencial elástica armazenada nos corpos durante a colisão irá ser transformada em energia cinética. Além disso, ela será igual à energia cinética dos corpos antes da colisão. Nesse caso, os corpos não sofrem deformação permanente, apenas durante o choque. Porém, nas colisões reais, como em uma batida entre automóveis, a deformação, pelo menos em partes, é permanente e perceptível. Com isso, parte da energia cinética é transformada em energia térmica, sonora ou mesmo em trabalho, que causa as deformações permanentes nos corpos envolvidos.

colisões - colisão entre automóveis que causam deformações permanentes.
Figura 2: Colisão entre automóveis que causam deformações permanentes.

Classificação das colisões

Ao considerar essas características distintas entre as colisões, é possível classifica-las em: colisões elásticas, parcialmente elásticas e inelásticas. Vamos a definição de cada uma:

Colisões elásticas

Nesta situação os corpos envolvidos na colisão não sofrem deformações permanentes, e a energia mecânica total do fenômeno é conservada. Pense que toda a energia cinética anterior ao choque é restituída após o mesmo. Exemplo: digamos bem próximo a tal característica é o próprio jogo de sinuca, ou mesmo o de bola de gude. Pois não deformação perceptível, e com isso podemos considerar (quase) um caso ideal.

na colisão elástica não há deformação permanente.
Figura 3: Na colisão elástica não há deformação permanente.
Colisões parcialmente elásticas

Nesse caso, a colisão que acontece entre os corpos é permanente, podendo ainda não ser perceptível. Então, o que diferencia de uma colisão elástica? A conservação da energia mecânica! Na colisão parcialmente elástica, a energia mecânica do sistema de corpos envolvidos não é conservada. Logo, ela é transformada em outras formas de energia (térmica, sonora, etc). Um exemplo desse tipo de colisão é uma bola de tênis quicando livremente. Ela vai diminuindo sua altura de pulo, conforme o tempo vai passando.  Isso porque está perdendo energia mecânica para outras formas, como térmica e sonora.

bola de tênis pulando colisões
Figura 4: Bola de tênis pulando, e transformando energia mecânica em outras formas de energia.
Colisões inelásticas

Nesse caso, os corpos envolvidos se movem juntos após a colisão e para essa situação não há restituição.

Exemplo 1: imagine uma bolinha de massa de modelar atirada contra uma bola de bilhar. É bem provável que primeira se fixe à segunda e siga em movimento junto a ela.

Exemplo 2: imagine uma colisão traseira no trânsito. Nessa situação, o carro de trás fica junto com o carro da frente, empurrando-o.

Nas colisões inelásticas, a energia mecânica final é bem menor do que a energia mecânica inicial, também havendo transformação em energia térmica, sonora e outras mais.

após uma colisão traseira, os carros seguem o movimento juntos colisão inelástica
Figura 5: Após uma colisão traseira, os carros seguem o movimento juntos (colisão inelástica)

Acelerador de partículas

Agora que você já sabe tudo sobre colisões, voltamos à pergunta no início. O que um jogo de sinuca, uma batida entre automóveis e as colisões entre partículas em aceleradores tem em comum?

Na busca pelos constituintes básicos da matéria, os físicos utilizam máquinas enormes chamadas aceleradores de partículas. Nelas, esses estudiosos aceleram e colidem feixes de partículas com velocidades próximas à da luz em máquinas enormes. O mais famoso e extenso acelerador de partículas é o Grande Colisor de Hádrons (Large Hadron Collider – LHC). Ele possui uma circunferência de 27 km. O LHC está situado entre os países da Suíça e França, a 175 metros abaixo do nível do solo.

LHC e demais aceleradores de partículas que compõe o CERN
Figura 6: LHC e demais aceleradores de partículas que compõe o CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire)

Após as colisões das partículas, no interior dos aceleradores, aparecem fragmentos que fornecem informações sobre partículas ainda menores. Fornecem, também, informações sobre as forças envolvidas em suas composições. É com isso que os cientistas conseguem avançar nos estudos sobre Física Moderna.

Para reforçar o conteúdo estudado nesta aula, assista ao vídeo abaixo:

Agora, resolva os exercícios abaixo sobre colisões

1.(Ufrs-RS-2006) Uma pistola dispara um projétil contra um saco de areia que se encontra em repouso, suspenso a uma estrutura que o deixa plenamente livre para se mover. O projétil fica alojado na areia. Logo após o impacto, o sistema formado pelo saco de areia e o projétil move-se na mesma direção do disparo com velocidade de módulo igual a 0,25 m/s. Sabe-se que a relação entre as massas do projétil e do saco de areia é de 1/999.

Qual é o módulo da velocidade com que o projétil atingiu o alvo?

25 m/s

100 m/s

250 m/s

999 m/s

1000 m/s

2. (Ufms-MS – 2006) Considere um choque elástico unidimensional entre um corpo A, em movimento, que está se aproximando de um corpo B, inicialmente em repouso, ambos esféricos. Assinale a(s) alternativa(s) correta(s).

(01) Se a massa dos corpos A e B for igual, a velocidade dos corpos, após o choque, será igual.

(02) Se a massa do corpo B for metade da massa do corpo A, a velocidade dos corpos A e B, após o choque, será igual, mas terá a metade do valor da velocidade do corpo A antes do choque.

(04) Se a massa dos corpos A e B for igual, após o choque, a velocidade do corpo B será igual à do corpo A antes do choque e a velocidade do corpo A será nula.

(08) Se a massa dos corpos A e B for igual, a quantidade de movimento de cada corpo, após o choque, será igual à metade do valor da quantidade de movimento do corpo A antes do choque.

(16) Se a massa do corpo B for o dobro da massa do corpo A, após o choque, a velocidade do corpo A terá sentido oposto ao da sua velocidade antes do choque.

3. Uma massinha de 0,3 kg é lançada horizontalmente com velocidade de 5,0 m/s contra um bloco de 2,7 kg que se encontra em repouso sobre uma superfície sem atrito. Após a colisão, a massinha se adere ao bloco. Determine a velocidade final do conjunto massinha-bloco em m/s imediatamente após a colisão.

a) 2,8

b) 2,5

c) 0,6

d) 0,5

e) 0,2

Gabarito: 1) C   2) F – F – V – F – V (soma 20)  3) D

Sobre o(a) autor(a):

Os textos e exemplos acima foram preparados pela professora Tairine Favretto para o Blog do Enem. Tairine é formada em Física – Licenciatura na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), e é Mestra em Educação Científica e Tecnológica também pela UFSC. Ministra aulas de Física e Ciências da Natureza em escolas da Grande Florianópolis desde 2014. Facebook: https://www.facebook.com/tairine.favretto Instagram: @proftaifisica