Calculadora de momento lineal y colisiones (elásticas e inelásticas)
Calculadora de momento lineal y colisiones: velocidades finales, momento lineal total y energía cinética perdida en una colisión frontal elástica, inelástica o parcialmente elástica.
Cifras significativas: 6; Al más cercano; empates alejándose de cero
Velocidad del cuerpo 2 después
4,33333m/s
Momento lineal total (se conserva)
5kg·m/s
Energía cinética antes
9,5J
Energía cinética después
9,5J
Energía cinética perdida
0J
Fracción de energía cinética perdida
0,00%
Impulso sobre el cuerpo 2
5,33333N·s
En esta colisión elástica el momento lineal se mantiene en 5 kg·m/s; el cuerpo 1 sale a 0,333333 m/s y el cuerpo 2 a 4,33333 m/s, y se pierde el 0 % de la energía cinética.
Velocidad antes y después (m/s)
Energía cinética (J)
Cuerpo 1Cuerpo 2Perdida en calor, sonido y deformación
Cómo se calcula S
Momento lineal antes (se conserva)
p=m1u1+m2u2=(2)(3)+(1)(−1)=5kg⋅m/s
Restitución
e=u1−u2v2−v1=1
e = 1 conserva toda la energía cinética; e = 0 significa que los cuerpos salen juntos.
Acerca de Calculadora de momento lineal y colisiones (elásticas e inelásticas)
En una colisión entre dos cuerpos, el momento lineal total m₁u₁ + m₂u₂ es el mismo antes y después. El coeficiente de restitución e, el cociente entre la velocidad de separación y la de aproximación, aporta la segunda ecuación: e = 1 corresponde a una colisión perfectamente elástica y e = 0 significa que los cuerpos quedan unidos. Las dos ecuaciones dan ambas velocidades finales, y comparar ½mv² antes y después da la energía cinética perdida.
En el ejemplo inicial, un cuerpo de 2 kg a 3 m/s choca elásticamente con otro de 1 kg que se mueve a −1 m/s, y salen a 0,333 m/s y 4,333 m/s. Un coche de 1000 kg a 20 m/s que queda enganchado a otro de 1500 kg aparcado sale a 8 m/s, y el 60 % de la energía cinética se convierte en deformación, calor y sonido.
El movimiento es rectilíneo: elige un sentido positivo y pon un signo menos a las velocidades en sentido contrario. Las fuerzas externas, como la fricción con la carretera, se consideran despreciables durante el impacto.
Fórmula del momento lineal: p = mv
La calculadora resuelve una colisión frontal entre dos cuerpos: da las dos velocidades finales, el momento lineal total, la energía cinética perdida y el impulso que recibe cada cuerpo. Con los valores iniciales, un cuerpo de 2 kg a 3 m/s choca elásticamente con otro de 1 kg que viene en sentido contrario a −1 m/s; salen a 0,333 m/s y 4,333 m/s, y el momento lineal total se mantiene en 5 kg·m/s.
El momento lineal es la masa por la velocidad: p = mv, en kg·m/s. La velocidad tiene dirección y sentido, y el momento lineal también: un carrito de 2 kg a 3 m/s tiene 6 kg·m/s, y uno de 1 kg que se mueve en sentido contrario a −1 m/s tiene −1 kg·m/s. Juntos suman 5 kg·m/s.
Elige un sentido como positivo y pon un signo menos a todas las velocidades en sentido contrario. La lección de OpenStax sobre el momento lineal lo define como esta magnitud vectorial.
Conservación del momento lineal en una colisión
Si ninguna fuerza externa actúa durante el impacto, el momento lineal total es el mismo antes y después: m₁u₁ + m₂u₂ = m₁v₁ + m₂v₂. Es una ecuación con dos incógnitas, las velocidades finales v₁ y v₂, así que hace falta una segunda ecuación.
La aporta el coeficiente de restitución e: v₂ − v₁ = e(u₁ − u₂). Los cuerpos se separan a e veces su velocidad de aproximación, desde e = 1 en una colisión elástica hasta e = 0 cuando quedan unidos.
Al resolver el sistema se obtiene:
v₁ = [m₁u₁ + m₂u₂ + m₂e(u₂ − u₁)] ÷ (m₁ + m₂)
v₂ = [m₁u₁ + m₂u₂ + m₁e(u₁ − u₂)] ÷ (m₁ + m₂)
Colisiones resueltas
Las masas están en kg, las velocidades en m/s, el momento lineal total en kg·m/s y la energía cinética perdida en julios.
m1
u1
m2
u2
e
v1
v2
p total
Ec perdida
2
3
1
-1
1
0,333333
4,333333
5
0
1
2
1
0
1
0
2
2
0
1000
20
1500
0
0
8
8
20000
120000
2
3
1
-1
0,5
1
3
5
4
2
5
2
-5
0
0
0
0
50
Fila 1: con un momento lineal total de 5 kg·m/s, v₁ = [5 + 1 × 1 × (−1 − 3)] ÷ 3 = 1/3 m/s y v₂ = [5 + 2 × 1 × (3 + 1)] ÷ 3 = 13/3 m/s, que la tabla muestra redondeados. Comprobación: 2 × 1/3 + 1 × 13/3 = 15/3 = 5 kg·m/s.
Fila 3: un coche de 1000 kg a 20 m/s queda enganchado a otro de 1500 kg aparcado, y los dos salen a 8 m/s.
Fila 5: momentos lineales iguales y opuestos se anulan, así que dos carritos que quedan unidos se detienen en seco.
Colisiones elásticas (e = 1)
Una colisión elástica conserva la energía cinética además del momento lineal. Con e = 1 las fórmulas quedan v₁ = [(m₁ − m₂)u₁ + 2m₂u₂] ÷ (m₁ + m₂) y v₂ = [2m₁u₁ + (m₂ − m₁)u₂] ÷ (m₁ + m₂).
Dos masas iguales intercambian sus velocidades, como en la fila 2 y en el péndulo de Newton. Un cuerpo ligero rebota contra uno pesado: 1 kg a 2 m/s que golpea 10 kg en reposo rebota a −18/11 ≈ −1,64 m/s, y el cuerpo pesado sale a 4/11 ≈ 0,36 m/s.
Los cuerpos quedan unidos y comparten una velocidad, v = (m₁u₁ + m₂u₂) ÷ (m₁ + m₂). El momento lineal se conserva, pero la energía cinética no: la pérdida se convierte en deformación, calor y sonido.
Para los coches de la fila 3, la energía cinética baja de ½ × 1000 × 20² = 200 000 J a ½ × 2500 × 8² = 80 000 J. La diferencia de 120 000 J es el 60 % de la energía inicial. La calculadora lo dibuja en un gráfico de barras apiladas, con la energía de cada cuerpo antes y después y la parte perdida.
Coeficiente de restitución entre 0 y 1
La mayoría de las colisiones reales quedan entre los dos extremos. La fila 4 repite la fila 1 con e = 0,5: los cuerpos salen a 1 m/s y 3 m/s, siguen sumando 5 kg·m/s y se pierden 4 J de los 9,5 J de energía cinética.
Para una pelota que cae sobre un suelo rígido, e = √(altura del rebote ÷ altura de caída). Una pelota soltada desde 1 m que rebota hasta 0,64 m tiene e = √0,64 = 0,8.
Impulso y fuerza de impacto
El impulso es la variación del momento lineal de un cuerpo, J = m(v − u), en N·s. En la fila 1, el cuerpo 2 pasa de −1 m/s a 13/3 m/s, así que recibe 1 × (13/3 + 1) = 16/3 ≈ 5,33 N·s; el cuerpo 1 recibe el mismo impulso en sentido contrario.
La fuerza media es el impulso dividido por el tiempo de contacto. Si ese impacto durara 0,01 s, la fuerza media sobre cada cuerpo sería de unos 533 N. Repartir el mismo impulso en más tiempo, como hacen las zonas de deformación y los airbags, reduce la fuerza.
Errores frecuentes
Sumar rapideces en lugar de velocidades con signo. En la fila 1 el momento lineal total es 6 − 1 = 5 kg·m/s, no 7.
Esperar que se conserve la energía cinética. Toda colisión conserva el momento lineal si no actúan fuerzas externas, pero solo las elásticas mantienen la energía cinética.
Tratar el impulso como una fuerza. El impulso en N·s solo se convierte en fuerza cuando se sabe cuánto duró el contacto.
Olvidar las fuerzas externas. La conservación vale durante el breve impacto; la fricción y la frenada posteriores cambian el momento lineal.
Formato de los datos y unidades
El movimiento es frontal y sobre una recta, con el cuerpo 1 a la izquierda y las velocidades positivas hacia la derecha.
El cuerpo 1 tiene que alcanzar al cuerpo 2, así que u₁ debe ser mayor que u₂. Dos cuerpos que se mueven hacia la izquierda también pueden chocar.
Las masas deben ser positivas (kg, g, t o lb), y las velocidades se pueden introducir en m/s, km/h o mph.
e va de 0 a 1; al elegir colisión elástica o perfectamente inelástica queda fijado en 1 o en 0.
Masas iguales, colisión elástica: las velocidades se intercambian
Colisión
Elástica
Masa del cuerpo 1
1 kg
Velocidad del cuerpo 1 antes
2 m/s
Masa del cuerpo 2
1 kg
Velocidad del cuerpo 2 antes
0 m/s
Unidad de las velocidades
m/s
Velocidad del cuerpo 1 después
0 m/s
Velocidad del cuerpo 2 después
2 m/s
Energía cinética perdida
0 J
Fuente de comprobación: OpenStax UP1 §9.4: en una colisión elástica entre masas iguales se intercambian las velocidades
Un coche choca con otro aparcado y quedan enganchados
Colisión
Perfectamente inelástica
Masa del cuerpo 1
1000 kg
Velocidad del cuerpo 1 antes
20 m/s
Masa del cuerpo 2
1500 kg
Velocidad del cuerpo 2 antes
0 m/s
Unidad de las velocidades
m/s
Velocidad del cuerpo 1 después
8 m/s
Velocidad del cuerpo 2 después
8 m/s
Energía cinética antes
200 000 J
Energía cinética después
80 000 J
Fracción de energía cinética perdida
60,00%
Fuente de comprobación: Ec 200000 → 80000 J
Choque frontal con e = 0,5
Colisión
Coeficiente e
Coeficiente de restitución e
0,5
Masa del cuerpo 1
2 kg
Velocidad del cuerpo 1 antes
3 m/s
Masa del cuerpo 2
1 kg
Velocidad del cuerpo 2 antes
-1 m/s
Unidad de las velocidades
m/s
Velocidad del cuerpo 1 después
1 m/s
Velocidad del cuerpo 2 después
3 m/s
Momento lineal total (se conserva)
5 kg·m/s
Energía cinética perdida
4 J
Fuente de comprobación: Ec 9.5 → 5.5 J
Bola pesada contra una ligera, colisión elástica
Colisión
Elástica
Masa del cuerpo 1
10 kg
Velocidad del cuerpo 1 antes
1 m/s
Masa del cuerpo 2
1 kg
Velocidad del cuerpo 2 antes
0 m/s
Unidad de las velocidades
m/s
Velocidad del cuerpo 1 después
0,818182 m/s
Velocidad del cuerpo 2 después
1,81818 m/s
Fuente de comprobación: Cálculo independiente
Preguntas
¿Qué diferencia hay entre una colisión elástica y una inelástica?
Las dos conservan el momento lineal; solo la elástica conserva además la energía cinética. En una colisión perfectamente inelástica los cuerpos quedan unidos y pierden toda la energía cinética que permite la conservación del momento lineal. Cuando un coche de 1000 kg a 20 m/s queda enganchado a otro de 1500 kg aparcado, el momento lineal se mantiene en 20 000 kg·m/s mientras la energía cinética baja de 200 kJ a 80 kJ. La mayoría de las colisiones reales quedan entre los dos extremos.
¿Qué es el coeficiente de restitución?
Es la velocidad relativa después de la colisión dividida por la velocidad relativa antes, e = (v₂ − v₁) ÷ (u₁ − u₂), un número entre 0 y 1. Para una pelota que cae sobre un suelo rígido, e = √(altura del rebote ÷ altura de caída). La ITF exige que una pelota de tenis de tipo 2 soltada desde 254 cm sobre hormigón rebote entre 135 y 147 cm, lo que corresponde a un e de entre 0,73 y 0,76.
¿Cómo se calcula el momento lineal?
El momento lineal es la masa por la velocidad, p = mv, y se mide en kg·m/s. Tiene dirección y sentido, así que las velocidades opuestas llevan signos opuestos. Un coche de 1000 kg a 20 m/s tiene 20 000 kg·m/s. Sin fuerzas externas, el total es el mismo antes y después de una colisión; por eso dos carritos de 2 kg que chocan de frente a 5 m/s y quedan unidos se detienen en seco.
¿Qué ocurre cuando chocan elásticamente dos masas iguales?
Intercambian sus velocidades. Una bola de 1 kg a 2 m/s que golpea a otra idéntica en reposo se detiene, y la segunda sale a 2 m/s con toda la energía cinética; el péndulo de Newton muestra el mismo efecto. Con masas distintas, el cuerpo más ligero sale más rápido: una bola de 10 kg a 1 m/s lanza a otra de 1 kg a 1,82 m/s y se frena hasta 0,82 m/s.
Esta calculadora incluye 5 ejemplos resueltos con respuestas de fuentes independientes. Forman parte del conjunto de pruebas y también puedes ejecutarlos aquí.
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