Quantidade de Movimento ou Energia Cinética? Um Guia para Problemas de Colisão

Aprende a escolher as equações corretas para problemas de colisão, identificando o sistema, avaliando os impulsos externos e distinguindo colisões elásticas de inelásticas. Inclui exemplos resolvidos e cinco questões de prática com resoluções detalhadas.

Um carrinho de 2.0 kg, que se desloca a \(+4.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), colide com um carrinho de 1.0 kg em repouso. O par começa com uma quantidade de movimento total de \(+8.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\). Consegues determinar ambas as velocidades finais apenas com essa informação?

Antes de escolheres uma equação, considera três possibilidades: conservar a quantidade de movimento, conservar a energia cinética ou conservar ambas. A escolha correta depende do sistema que estás a estudar, das forças externas que atuam durante a colisão e do que sabes sobre a própria colisão.

Mesmo início, diferentes resultados de colisão

Estado inicial

m₁ = 2.0 kg, u₁ = +4.0 m/s; m₂ = 1.0 kg, u₂ = 0

Quantidade de movimento total = +8.0 kg·m/s

Ficam unidos

v₁ = v₂ = +2.67 m/s

A conservação da quantidade de movimento determina a velocidade final comum.

Separam-se após o impacto

2.0v₁ + 1.0v₂ = 8.0

Velocidades em m/s; a quantidade de movimento, por si só, permite vários resultados.

Se a colisão for elástica: v₁ = +1.33 m/s, v₂ = +5.33 m/s.

Ambos os resultados começam com uma quantidade de movimento total de +8.0 kg·m/s. Se os carrinhos ficarem unidos, a conservação da quantidade de movimento determina a sua velocidade comum. Se se separarem, a quantidade de movimento, por si só, não permite determinar ambas as velocidades finais; é necessária uma condição adicional, como uma colisão elástica.

O essencial é começar pela quantidade de movimento, desde que o impulso externo resultante seja desprezável. A energia cinética é uma condição adicional, não uma grandeza que se conserva automaticamente sempre que os objetos colidem.

01Escolhe o sistema antes de escolheres a equação

Um sistema é o conjunto de objetos cujo movimento estás a analisar. Numa colisão, a decisão sobre quais os objetos que pertencem ao sistema altera quais as forças que são consideradas externas.

Imagina dois carrinhos a colidir numa pista.

Se o teu sistema incluir ambos os carrinhos, as forças que exercem um sobre o outro são forças internas. De acordo com a terceira lei de Newton, estas forças têm a mesma intensidade e sentidos opostos. Por isso, os impulsos correspondentes anulam-se quando consideras a quantidade de movimento total do par.

No entanto, se o teu sistema incluir apenas o primeiro carrinho, a força exercida pelo segundo carrinho é externa ao sistema. A quantidade de movimento do primeiro carrinho altera-se durante a colisão.

O sistema determina quais forças são externas

Sistema: A e B

F(B on A) = −F(A on B)

Ambas as forças são internas ao sistema.

A sua soma é zero; a quantidade de movimento total não se altera se o impulso externo resultante for desprezável.

Sistema: apenas A

Δp(A) = J(B on A)

A força exercida por B é externa a este sistema.

Altera a quantidade de movimento de A durante a colisão.

A terceira lei de Newton estabelece que as forças de interação têm a mesma intensidade e sentidos opostos. Estas anulam-se no balanço da quantidade de movimento total dos dois objetos, mas a força exercida por B altera a quantidade de movimento do objeto A quando este é considerado isoladamente.

Uma força externa significa automaticamente que a quantidade de movimento não se conserva?

Não necessariamente. É preciso considerar o impulso externo durante a colisão.

O impulso mede o efeito de uma força que atua durante um intervalo de tempo. Para um sistema, o impulso externo resultante é igual à variação da sua quantidade de movimento total:

\[ J_{\text{ext}}=\Delta p_{\text{sistema}} =p_f-p_i \]

Aqui:

  • \(J_{\text{ext}}\) é o impulso externo resultante, medido em newton-segundos (\(\mathrm{N\,s}\)).
  • \(p_i\) é a quantidade de movimento total do sistema antes da colisão.
  • \(p_f\) é a quantidade de movimento total do sistema após a colisão.

Se o impulso externo resultante for nulo, ou desprezável em comparação com as variações da quantidade de movimento que estás a investigar, a quantidade de movimento total conserva-se:

\[ p_i\approx p_f \]

Se o impulso externo for significativo, utiliza a relação mais geral:

\[ p_f=p_i+J_{\text{ext}} \]

Esta distinção é útil nas questões do HSC. Uma força de colisão de grande intensidade pode atuar entre dois objetos enquanto a quantidade de movimento total do par se mantém constante, porque essa força é interna ao sistema constituído pelos dois objetos. Entretanto, o atrito exercido pela pista é uma força externa e pode alterar a quantidade de movimento total do par.

A questão importante não é simplesmente saber se existem forças externas. É saber se o seu impulso resultante durante a colisão pode ser desprezado.

02A quantidade de movimento é o ponto de partida para os problemas de colisão

A quantidade de movimento combina a massa e a velocidade de um objeto:

\[ p=mv \]

em que \(p\) é a quantidade de movimento, \(m\) é a massa em quilogramas e \(v\) é a velocidade em metros por segundo. A quantidade de movimento é uma grandeza vetorial, pelo que o sentido do movimento é importante.

Para uma colisão unidimensional entre dois objetos, a conservação da quantidade de movimento dá-nos:

\[ m_1u_1+m_2u_2=m_1v_1+m_2v_2 \]

Aqui:

  • \(m_1\) e \(m_2\) são as massas dos objetos.
  • \(u_1\) e \(u_2\) são as velocidades iniciais dos objetos.
  • \(v_1\) e \(v_2\) são as velocidades finais dos objetos.

Escolhe um sentido positivo antes de substituíres os valores. Se o sentido para a direita for positivo, um objeto que se desloque para a esquerda terá uma velocidade negativa.

Esta equação aplica-se tanto a colisões elásticas como a colisões inelásticas, desde que o impulso externo resultante sobre o sistema escolhido seja desprezável.

Esta é uma distinção importante. A conservação da quantidade de movimento não exige que os objetos ressaltem perfeitamente, mantenham as velocidades iniciais ou conservem toda a sua energia cinética. Exige que a quantidade de movimento total do sistema permaneça inalterada.

No entanto, a quantidade de movimento, por si só, pode não permitir determinar todas as incógnitas. Se houver duas velocidades finais desconhecidas para dois objetos, a equação da quantidade de movimento fornece apenas uma relação entre elas. Precisarás de outra condição para determinar ambas as velocidades.

É aqui que o comportamento energético da colisão se torna importante.

03A energia cinética é uma condição adicional

A energia cinética descreve a energia que um objeto possui devido ao seu movimento:

\[ E_k=\frac12mv^2 \]

Ao contrário da quantidade de movimento, a energia cinética é uma grandeza escalar. Como a velocidade está elevada ao quadrado, o sentido do movimento não afeta o seu valor.

Para um sistema constituído por dois objetos, a energia cinética total antes da colisão é:

\[ E_{k,i}=\frac12m_1u_1^2+\frac12m_2u_2^2 \]

A expressão correspondente após a colisão é:

\[ E_{k,f}=\frac12m_1v_1^2+\frac12m_2v_2^2 \]

A igualdade ou não destas duas grandezas depende do tipo de colisão.

Colisões elásticas

Uma colisão elástica conserva a energia cinética total dos objetos em colisão:

\[ E_{k,i}=E_{k,f} \]

Se o impulso externo resultante também for desprezável, podes utilizar tanto a conservação da quantidade de movimento como a conservação da energia cinética.

Estas duas leis fornecem duas relações independentes, que podem ser suficientes para determinar duas velocidades finais desconhecidas.

Colisões inelásticas

Numa colisão inelástica, a energia cinética total não se conserva. Parte da energia cinética é transferida para outras formas, como energia de deformação, energia sonora, energia térmica ou energia interna.

A quantidade de movimento pode, ainda assim, conservar-se simultaneamente.

Se dois objetos ficarem unidos após a colisão, esta é designada por colisão perfeitamente inelástica. Ambos os objetos terão a mesma velocidade final:

\[ v_1=v_2=v_f \]

Essa velocidade comum fornece uma condição adicional. Podes calculá-la utilizando a conservação da quantidade de movimento, sem presumir que a energia cinética se conserva.

A energia cinética dos objetos será, em geral, inferior após ficarem unidos, embora a energia total do sistema completo se conserve.

O que se conserva numa colisão?

Colisão elástica

pᵢ = pᶠ; Eₖ,ᵢ = Eₖ,ᶠ

A quantidade de movimento total e a energia cinética total mantêm-se inalteradas.

Colisão inelástica

pᵢ = pᶠ; Eₖ,ᶠ < Eₖ,ᵢ

A energia cinética diminui; a diferença é transferida para outras formas, como energia sonora, energia térmica ou energia de deformação.

Admitindo que o impulso externo resultante é desprezável, a quantidade de movimento total conserva-se em ambos os casos. Nesta colisão inelástica representativa, a diminuição da energia cinética é transferida para outras formas; a energia total mantém-se conservada.

Há uma ressalva que convém recordar em questões mais exigentes: se uma mola ou outra reserva interna de energia libertar energia durante uma colisão, a energia cinética total dos objetos pode, na realidade, aumentar. Isso não significa que a colisão seja elástica. A natureza elástica da colisão é determinada pelo facto de a energia cinética total se manter ou não inalterada.

04Uma sequência prática de decisão

Utiliza a sequência seguinte sempre que uma questão sobre colisões te pedir para calcular velocidades finais, variações de energia ou ambas.

Escolhe as equações certas para a colisão

  1. Define o sistema

    Identifica os objetos incluídos.

  2. Verifica o impulso externo

    pᶠ = pᵢ + Jₑₓₜ

    Impulso desprezável: conserva a quantidade de movimento. Caso contrário, inclui o impulso externo resultante.

  3. Verifica se a colisão é elástica

    Se for explicitamente elástica, conserva também a energia cinética total. Caso contrário, não pressuponhas essa conservação.

  4. Verifica se os objetos ficam unidos

    v₁ = v₂ = vᶠ

    Utiliza uma velocidade final comum e a equação adequada entre o impulso e a quantidade de movimento.

  5. Verifica se falta informação

    Conta as equações independentes e as incógnitas. Se necessário, obtém outra condição válida.

Escolhe as equações com base no sistema e nas condições da colisão. A conservação da quantidade de movimento exige que o impulso externo resultante seja desprezável; a conservação da energia cinética exige adicionalmente que a colisão seja elástica. Nunca pressuponhas informação em falta.

Tabela de seleção do método

Informação fornecidaEquações a utilizarErro comum
O impulso externo resultante é desprezável, mas o tipo de colisão é desconhecidoConservação da quantidade de movimentoPresumir que a energia cinética se conserva
A colisão é explicitamente elásticaConservação da quantidade de movimento e da energia cinéticaEsquecer os sinais das velocidades na equação da quantidade de movimento
Os objetos ficam unidosConservação da quantidade de movimento e uma velocidade final comumConservar também a energia cinética
É fornecido um impulso externo significativo\(p_f=p_i+J_{\text{ext}}\)Igualar a quantidade de movimento inicial à final
São desconhecidas duas velocidades finais, mas só existe informação sobre a quantidade de movimentoA quantidade de movimento fornece uma relaçãoPresumir que uma equação pode determinar duas incógnitas independentes

Quatro perguntas a fazer antes de calcular

  • Que objetos fazem parte do meu sistema?
  • O impulso externo resultante durante a colisão é desprezável?
  • O enunciado afirma que a colisão é elástica, que os objetos ficam unidos ou fornece outra condição?
  • Depois de escrever as equações que posso utilizar legitimamente, tenho relações independentes suficientes para determinar todas as incógnitas?

Se não conseguires justificar a conservação da energia cinética, não a utilizes. Se tiveres mais incógnitas do que equações independentes, precisas de mais informação física. Nenhuma manipulação algébrica consegue fornecer uma condição em falta.

05Exemplo resolvido: dois carrinhos ficam unidos

Um carrinho de 2.0 kg desloca-se para a direita a \(4.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) e colide com um carrinho de 1.0 kg em repouso. Os carrinhos ficam unidos. O impulso horizontal externo resultante sobre o par é desprezável.

Calcula a velocidade final comum e a diminuição da energia cinética total.

Passo 1

Considera ambos os carrinhos como um único sistema. Como o impulso horizontal externo resultante é desprezável, a quantidade de movimento total conserva-se.

Como os carrinhos ficam unidos, partilham uma única velocidade final, \(v_f\). Não presumimos que a energia cinética se conserva.

Passo 2

\[ m_1u_1+m_2u_2=(m_1+m_2)v_f \]

Substitui os valores conhecidos, considerando positivo o sentido para a direita:

\[ (2.0)(+4.0)+(1.0)(0)=(3.0)v_f \]

Portanto,

\[ v_f=\frac{8.0}{3.0} =+2.67\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]

Os carrinhos deslocam-se juntos para a direita a \(2.67\ \mathrm{m\,s^{-1}}\).

Passo 3

Antes da colisão, apenas o primeiro carrinho está em movimento:

\[ E_{k,i}=\frac12(2.0)(4.0)^2 =16.0\ \mathrm J \]

Após a colisão, a massa combinada é \(3.0\ \mathrm{kg}\):

\[ E_{k,f}=\frac12(3.0) \left(\frac83\right)^2 =10.67\ \mathrm J \]

A diminuição da energia cinética é:

\[ \begin{aligned} E_{k,\text{decréscimo}} &=E_{k,i}-E_{k,f}\\ &=16.0-10.67\\ &=5.33\ \mathrm J \end{aligned} \]

Passo 4

A quantidade de movimento total dos carrinhos conserva-se, mas a energia cinética total diminui \(5.33\ \mathrm J\).

Essa energia não desapareceu. Foi transferida para outras formas, como energia de deformação, energia sonora ou energia interna. O facto de os carrinhos ficarem unidos indica que não devemos utilizar a conservação da energia cinética como equação para determinar o seu movimento final.

06Exemplo resolvido: os mesmos carrinhos colidem elasticamente

O mesmo carrinho de 2.0 kg, que se desloca a \(4.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), colide com um carrinho de 1.0 kg em repouso. Desta vez, a colisão é explicitamente elástica e os carrinhos separam-se após o impacto. O impulso horizontal externo resultante é desprezável.

Determina a velocidade final de cada carrinho.

Passo 1

Ambos os carrinhos constituem o sistema e o impulso externo é desprezável. Podemos, por isso, aplicar a conservação da quantidade de movimento total.

A colisão é explicitamente elástica, pelo que também podemos aplicar a conservação da energia cinética total. Estas duas equações permitirão determinar as velocidades finais.

Passo 2

Sejam \(v_1\) e \(v_2\) as velocidades finais dos carrinhos de 2.0 kg e 1.0 kg, respetivamente.

\[ (2.0)(4.0)+(1.0)(0) =2.0v_1+1.0v_2 \]

Utilizando velocidades em \(\mathrm{m\,s^{-1}}\), esta expressão simplifica-se para:

\[ 2v_1+v_2=8 \]

Reorganiza a equação para expressar uma incógnita em função da outra:

\[ v_2=8-2v_1 \]

Passo 3

A energia cinética total inicial é \(16.0\ \mathrm J\). Como a colisão é elástica, a energia cinética total final também tem de ser \(16.0\ \mathrm J\).

\[ \frac12(2.0)v_1^2+ \frac12(1.0)v_2^2=16 \]

Simplificando os coeficientes numéricos, com as velocidades medidas em \(\mathrm{m\,s^{-1}}\):

\[ v_1^2+\frac12v_2^2=16 \]

Passo 4

Substitui \(v_2=8-2v_1\) na equação da energia cinética:

\[ v_1^2+\frac12(8-2v_1)^2=16 \]

Desenvolvendo e simplificando, obtém-se:

\[ 3v_1^2-16v_1+16=0 \]

Fatorizando:

\[ (3v_1-4)(v_1-4)=0 \]

Portanto,

\[ v_1=\frac43 \quad\text{ou}\quad v_1=4 \]

A solução \(v_1=4\) dá \(v_2=0\). Este é o estado inicial inalterado, não a colisão descrita, na qual os carrinhos interagem e se separam após o impacto. Por isso, rejeitamos esta solução.

A solução física é:

\[ v_1=\frac43=+1.33\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]

Em seguida,

\[ v_2=8-2\left(\frac43\right) =\frac{16}{3} =+5.33\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]

Passo 5

A quantidade de movimento final é:

\[ \begin{aligned} p_f &=(2.0)\left(\frac43\right) +(1.0)\left(\frac{16}{3}\right)\\ &=8.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

A energia cinética final é:

\[ \begin{aligned} E_{k,f} &=\frac12(2.0)\left(\frac43\right)^2\\ &\quad+\frac12(1.0)\left(\frac{16}{3}\right)^2\\ &=16.0\ \mathrm J \end{aligned} \]

Ambas as grandezas coincidem com os respetivos valores iniciais, como é necessário nesta colisão elástica de um sistema isolado.

Repara que os dados iniciais eram idênticos nos dois exemplos resolvidos. A primeira colisão produziu uma velocidade final comum e uma diminuição da energia cinética. A segunda produziu duas velocidades finais diferentes, conservando tanto a quantidade de movimento como a energia cinética.

Foram as condições da colisão que determinaram quais as equações que podiam ser utilizadas.

Comparação numérica da energia cinética total: 16.0 J inicialmente, 16.0 J após uma colisão elástica e 10.7 J após os carrinhos ficarem unidos.
  • Energia cinética total
Para o mesmo estado inicial, a colisão elástica conserva a energia cinética em 16.0 J. Quando os carrinhos ficam unidos, a energia cinética diminui para 10.7 J: uma redução de 5.3 J transferida para outras formas. A quantidade de movimento total conserva-se em ambos os casos, admitindo que o impulso externo é desprezável.

07Questões e resoluções

Questão 1

Um carrinho de 1.5 kg desloca-se para a direita a \(6.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) e colide com um carrinho de 2.5 kg em repouso. Os carrinhos ficam unidos e o impulso horizontal externo resultante é desprezável.

Calcula a velocidade final comum e a diminuição da energia cinética total.

Resolução 1

Os carrinhos deslocam-se juntos a \(+2.25\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), e a energia cinética total diminui aproximadamente \(16.9\ \mathrm J\).

Como os carrinhos ficam unidos, têm uma única velocidade final. A conservação da quantidade de movimento dá:

\[ \begin{aligned} (1.5)(6.0)+(2.5)(0)&=(1.5+2.5)v_f\\ 9.0&=4.0v_f\\ v_f&=+2.25\ \mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

Calcula agora a energia cinética inicial:

\[ E_{k,i}=\frac12(1.5)(6.0)^2 =27.0\ \mathrm J \]

A energia cinética final é:

\[ E_{k,f}=\frac12(4.0)(2.25)^2 =10.125\ \mathrm J \]

Portanto,

\[ \begin{aligned} E_{k,\text{decréscimo}} &=27.0-10.125\\ &=16.875\ \mathrm J\\ &\approx16.9\ \mathrm J \end{aligned} \]

A diminuição ocorre porque a colisão é perfeitamente inelástica. O cálculo da quantidade de movimento é válido, mas a conservação da energia cinética produziria um resultado incorreto.

Questão 2

Uma bola de \(0.40\ \mathrm{kg}\) desloca-se para a direita a \(12\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) e colide com uma bola de \(0.60\ \mathrm{kg}\) que se desloca para a esquerda a \(2.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\). Após a colisão, a primeira bola desloca-se para a esquerda a \(3.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\). Considera que o impulso externo resultante sobre o sistema constituído pelas duas bolas é desprezável.

Calcula a velocidade final da segunda bola. Determina se a colisão é elástica.

Resolução 2

A segunda bola desloca-se para a direita a \(8.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), e a colisão é inelástica, porque a energia cinética total diminui \(9.0\ \mathrm J\).

Considera positivo o sentido para a direita. A conservação da quantidade de movimento dá:

\[ \begin{aligned} p_i&=(0.40)(+12)+(0.60)(-2.0)\\ &=3.6\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

Seja \(v_2\) a velocidade final da segunda bola. Então:

\[ \begin{aligned} 3.6&=(0.40)(-3.0)+(0.60)v_2\\ 3.6&=-1.2+0.60v_2\\ v_2&=\frac{4.8}{0.60}\\ &=+8.0\ \mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

Compara agora as energias cinéticas totais.

Antes da colisão:

\[ \begin{aligned} E_{k,i} &=\frac12(0.40)(12)^2 +\frac12(0.60)(2.0)^2\\ &=28.8+1.2\\ &=30.0\ \mathrm J \end{aligned} \]

Após a colisão:

\[ \begin{aligned} E_{k,f} &=\frac12(0.40)(3.0)^2 +\frac12(0.60)(8.0)^2\\ &=1.8+19.2\\ &=21.0\ \mathrm J \end{aligned} \]

A diminuição é:

\[ 30.0-21.0=9.0\ \mathrm J \]

A colisão não é elástica, porque a energia cinética total se altera. A quantidade de movimento continua a conservar-se porque o impulso externo resultante é desprezável. Estas são condições distintas, e satisfazer uma não implica automaticamente satisfazer a outra.

Questão 3

Um disco de \(1.0\ \mathrm{kg}\) desloca-se para a direita a \(6.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) e colide com um disco de \(2.0\ \mathrm{kg}\) em repouso. Os discos ficam unidos.

Durante a colisão, que dura \(0.20\ \mathrm s\), a força horizontal externa resultante média sobre o sistema constituído pelos dois discos é de \(5.0\ \mathrm N\), dirigida para a esquerda.

Calcula a velocidade final dos discos unidos. Explica o erro de um cálculo que pressupõe que a quantidade de movimento total se conserva.

Resolução 3

Os discos unidos deslocam-se para a direita a \(1.67\ \mathrm{m\,s^{-1}}\). Presumir que a quantidade de movimento se conserva daria incorretamente \(2.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\), porque o impulso externo não é desprezável.

A quantidade de movimento total inicial é:

\[ p_i=(1.0)(6.0)+(2.0)(0) =6.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \]

O impulso externo é:

\[ \begin{aligned} J_{\text{ext}} &=F_{\text{média}}\Delta t\\ &=(-5.0)(0.20)\\ &=-1.0\ \mathrm{N\,s} \end{aligned} \]

Utiliza a relação entre o impulso e a quantidade de movimento:

\[ \begin{aligned} p_f&=p_i+J_{\text{ext}}\\ &=6.0-1.0\\ &=5.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

A massa combinada é \(3.0\ \mathrm{kg}\), pelo que:

\[ \begin{aligned} v_f&=\frac{p_f}{m_1+m_2}\\ &=\frac{5.0}{3.0}\\ &=+1.67\ \mathrm{m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

Se igualasses incorretamente \(p_f=p_i\), obterias:

\[ v_f=\frac{6.0}{3.0} =2.0\ \mathrm{m\,s^{-1}} \]

Esse resultado ignora o impulso de \(-1.0\ \mathrm{N\,s}\) exercido pelo meio envolvente. As forças internas da colisão anulam-se no balanço da quantidade de movimento total, mas a força externa exercida pelo meio envolvente altera a quantidade de movimento do sistema.

Questão 4

Durante uma colisão, as medições indicam as seguintes quantidades de movimento:

  • O objeto A passa de \(+10\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\) para \(+2\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\).
  • O objeto B passa de \(-4\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\) para \(+4\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\).

Um aluno afirma que a quantidade de movimento não se conservou porque o objeto A perdeu quantidade de movimento. Outro afirma que se conservou porque a quantidade de movimento total do par permaneceu constante.

Determina qual dos alunos tem razão para o sistema constituído pelos dois objetos e para o objeto A isoladamente. Calcula o impulso externo resultante sobre o par e explica se os dados permitem estabelecer que a colisão foi elástica.

Resolução 4

O segundo aluno tem razão para o sistema constituído pelos dois objetos, mas a quantidade de movimento não se conserva para o objeto A isoladamente. O impulso externo resultante sobre o par é nulo, e as medições não permitem estabelecer se a colisão foi elástica.

Para o sistema constituído pelos dois objetos, a quantidade de movimento total inicial é:

\[ \begin{aligned} p_i&=+10+(-4)\\ &=+6\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

A quantidade de movimento total final é:

\[ \begin{aligned} p_f&=+2+(+4)\\ &=+6\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

Portanto,

\[ J_{\text{ext}}=p_f-p_i=0\ \mathrm{N\,s} \]

A quantidade de movimento total do par não se altera. A quantidade de movimento do objeto A diminui \(8\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}}\), enquanto a do objeto B aumenta a mesma quantidade. As variações anulam-se.

No entanto, para o objeto A isoladamente, a força exercida pelo objeto B é externa. Por isso, a quantidade de movimento do objeto A não se conserva durante a colisão.

Por fim, as medições da quantidade de movimento, por si só, não permitem estabelecer se a colisão foi elástica. Precisarias de informação suficiente sobre as massas e as velocidades dos objetos para comparar as respetivas energias cinéticas totais antes e depois da colisão. Quantidades de movimento totais iguais não implicam energias cinéticas totais iguais.

Questão 5

Um carrinho A de \(2.0\ \mathrm{kg}\) desloca-se para a direita a \(4.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\) e colide com um carrinho B de \(1.0\ \mathrm{kg}\) em repouso. O impulso horizontal externo resultante sobre o sistema constituído pelos dois carrinhos é desprezável.

Imediatamente após a colisão, as medições indicam:

  • Carrinho A: \(+1.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\).
  • Carrinho B: \(+6.0\ \mathrm{m\,s^{-1}}\).

Os carrinhos contêm um mecanismo de mola pré-carregado que liberta energia armazenada durante o contacto. Considera que o mecanismo pertence ao sistema e que todas as outras reservas de energia permanecem inalteradas.

Um aluno afirma que as medições são impossíveis: «Se o sistema está isolado, tanto a quantidade de movimento como a energia cinética têm de se conservar.»

Avalia esta afirmação. Calcula a quantidade de movimento total e a energia cinética total antes e depois da colisão e, em seguida, determina a variação da energia armazenada na mola.

Resolução 5

As medições são compatíveis com a conservação da quantidade de movimento, mas a energia cinética total aumenta \(3.0\ \mathrm J\). A colisão não é elástica: a mola liberta \(3.0\ \mathrm J\) de energia armazenada, que se transforma em energia cinética adicional.

Primeiro, verifica a conservação da quantidade de movimento.

Antes da colisão:

\[ \begin{aligned} p_i&=(2.0)(+4.0)+(1.0)(0)\\ &=+8.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

Após a colisão:

\[ \begin{aligned} p_f&=(2.0)(+1.0)+(1.0)(+6.0)\\ &=+8.0\ \mathrm{kg\,m\,s^{-1}} \end{aligned} \]

A quantidade de movimento total não se altera. As forças internas entre os carrinhos, incluindo as associadas ao mecanismo de mola, podem redistribuir a quantidade de movimento entre os objetos sem alterar a quantidade de movimento total do sistema.

Compara agora as energias cinéticas.

Inicialmente:

\[ E_{k,i}=\frac12(2.0)(4.0)^2 =16.0\ \mathrm J \]

Finalmente:

\[ \begin{aligned} E_{k,f} &=\frac12(2.0)(1.0)^2 +\frac12(1.0)(6.0)^2\\ &=1.0+18.0\\ &=19.0\ \mathrm J \end{aligned} \]

O aumento da energia cinética é:

\[ \Delta E_k=19.0-16.0=+3.0\ \mathrm J \]

Como a mola é a única outra reserva de energia que se altera, a sua energia armazenada tem de diminuir \(3.0\ \mathrm J\). A energia cinética adicional provém dessa reserva interna de energia.

O erro do aluno consiste em confundir a conservação da energia total com a conservação da energia cinética. Um sistema isolado conserva a sua energia total, mas a energia pode passar entre a energia cinética, a energia potencial elástica, a energia térmica e outras formas.

A colisão não é elástica porque a energia cinética total se altera. O facto de a quantidade de movimento se conservar não obriga a que a energia cinética também se conserve.

Esta é a regra fundamental: a conservação da quantidade de movimento depende do impulso externo resultante sobre um sistema, enquanto a conservação da energia cinética depende da natureza da interação e das transferências de energia no interior desse sistema.

O próximo conceito útil é a relação entre o impulso e a quantidade de movimento. Quando uma questão sobre colisões apresenta um gráfico força-tempo, a área sob o gráfico fornece o impulso, que indica quanto varia a quantidade de movimento total do sistema. Este é o método a utilizar quando deixa de ser válida a hipótese de que o impulso externo é desprezável.