Colisión 2D


Introducción

Una colisión 2D es aquella en la que dos objetos chocan en un ángulo, lo que significa que su movimiento no puede describirse a lo largo de una sola línea. A diferencia del caso más simple de choque frontal, las componentes horizontal y vertical del momento deben rastrearse y conservarse de forma independiente. Entender las colisiones bidimensionales es esencial en campos que van desde el billar y las ciencias del deporte hasta la física de partículas y la mecánica orbital.

Este artículo se centra en la colisión elástica 2D — el caso idealizado donde la energía cinética también se conserva además del momento. La técnica matemática clave es descomponer todas las velocidades en componentes x e y, aplicar las ecuaciones de colisión elástica 1D a lo largo del eje de la colisión, y luego recombinar los resultados de regreso al marco del laboratorio.


La física explicada

Cuando dos objetos chocan en dos dimensiones, el principio rector sigue siendo la conservación del momento — pero ahora aplicada como una ley vectorial. Como el momento es un vector, su componente x y su componente y se conservan cada una independientemente. Esto significa que obtenemos dos ecuaciones de conservación separadas, una para cada eje, en lugar de solo una.

El enfoque estándar es trabajar en el marco del normal de colisión — la línea que une los centros de los dos objetos en el momento del impacto. Esta línea se llama línea de acción o normal de contacto. Las componentes de velocidad a lo largo de este eje impulsan la colisión; las componentes de velocidad perpendiculares a él (las componentes tangenciales) no se ven afectadas en absoluto en una colisión elástica sin fricción y pasan directo sin cambios.

A lo largo del normal de contacto, el problema se reduce a una colisión elástica 1D ordinaria. Las dos componentes de velocidad en la dirección normal se intercambian según las fórmulas elásticas estándar, ponderadas por la razón de masas. Una vez que se calculan esas componentes normales post-colisión, se suman vectorialmente con las componentes tangenciales sin cambios para dar la velocidad final 2D de cada objeto.

El ángulo θ entre la velocidad inicial del objeto 1 y el normal de contacto determina cuánta energía se transfiere. Una colisión frontal (θ = 0°) produce máxima transferencia de energía; un golpe de refilón (θ cercano a 90°) transfiere muy poca. Por eso una bola de billar golpeada fuera de centro apenas cambia el movimiento de la bola objetivo.

Para una colisión elástica entre masas iguales donde una está inicialmente en reposo, hay un hermoso resultado geométrico: tras la colisión, los dos vectores velocidad son siempre perpendiculares entre sí. El ángulo entre los caminos de salida siempre suma exactamente 90°. Esto puede demostrarse usando la restricción de que tanto el momento como la energía cinética se conservan en simultáneo.


Ecuaciones clave

Conservación del momento en xm₁·v₁ₓ + m₂·v₂ₓ = m₁·v₁ₓ' + m₂·v₂ₓ'
Conservación del momento en ym₁·v₁ᵧ + m₂·v₂ᵧ = m₁·v₁ᵧ' + m₂·v₂ᵧ'
Conservación de la energía cinética½m₁|v₁|² + ½m₂|v₂|² = ½m₁|v₁'|² + ½m₂|v₂'|²
Componente normal tras la colisión — objeto 1v₁ₙ' = ((m₁ − m₂)·v₁ₙ + 2·m₂·v₂ₙ) / (m₁ + m₂)
Componente normal tras la colisión — objeto 2v₂ₙ' = ((m₂ − m₁)·v₂ₙ + 2·m₁·v₁ₙ) / (m₁ + m₂)
Componentes tangenciales (sin cambios)v₁ₜ' = v₁ₜ     v₂ₜ' = v₂ₜ
Rapidez del objeto 1 (magnitud)|v₁| = sqrt(v₁ₓ² + v₁ᵧ²)
Dirección del objeto 1 tras la colisiónθ₁' = arctan(v₁ᵧ' / v₁ₓ')

Variables clave

SímboloNombreUnidadSignificado
m₁Masa del objeto 1kgMasa inercial del primer objeto
m₂Masa del objeto 2kgMasa inercial del segundo objeto
v₁ₓ, v₁ᵧComponentes de velocidad del objeto 1m/sVelocidad horizontal y vertical del objeto 1 antes de la colisión
v₂ₓ, v₂ᵧComponentes de velocidad del objeto 2m/sVelocidad horizontal y vertical del objeto 2 antes de la colisión
v₁ₙComponente normal de velocidad — objeto 1m/sComponente de la velocidad del objeto 1 a lo largo del normal de contacto
v₁ₜComponente tangencial de velocidad — objeto 1m/sComponente de la velocidad del objeto 1 perpendicular al normal de contacto
v₁ₙ', v₂ₙ'Componentes normales post-colisiónm/sComponentes normales de velocidad después de la colisión elástica
θÁngulo de colisióngrados (°)Ángulo entre la velocidad inicial y el normal de contacto
pMomentokg·m/sMasa por vector velocidad; se conserva en toda colisión
KEEnergía cinéticaJ½m|v|²; se conserva solo en colisiones elásticas

Ejemplos del mundo real


Cómo funciona la simulación

La simulación coloca dos objetos circulares sobre una superficie 2D sin fricción. Puedes ajustar la masa de cada objeto y la rapidez y dirección iniciales del objeto 1 con los deslizadores de control. El objeto 2 parte del reposo por defecto, aunque también puedes darle una velocidad y un ángulo iniciales.

Cuando los dos círculos se superponen, la simulación calcula el normal de contacto — el vector unitario que apunta desde el centro del objeto 2 al centro del objeto 1. La velocidad de cada objeto se descompone entonces en una componente normal (a lo largo de este eje) y una componente tangencial (perpendicular a él). Las fórmulas de colisión elástica 1D se aplican a las componentes normales y las tangenciales se dejan sin cambios. Los resultados se recombinan en nuevos vectores de velocidad 2D para cada objeto.

La simulación muestra los vectores de velocidad como flechas sobre cada objeto para que puedas ver cambiar tanto la dirección como la magnitud a través de la colisión. Los totales acumulados del momento total (x e y por separado) y la energía cinética total se muestran en el panel de lecturas; verás que estas cantidades se mantienen constantes antes y después de cada colisión, confirmando las leyes de conservación en acción.


Lecturas adicionales