En el laboratorio disponemos de carriles de 2 m de longitud en cuyos extremos fijamos sensores de movimiento. En el carril colocamos dos carritos uno de color azul y otro de color rojo. Los carritos tienen muy baja resistencia al rodamiento y recorren buena parte del carril con velocidad casi constante después de un impulso inicial. Los carritos pueden variar su masa fijando en su parte superior pesas de 250 g.

El sensor de movimiento mide la distancia al carrito con una frecuencia por defecto, de 10 medidas por segundo, que cambiamos a 20 para esta experiencia. El programa CAPSTONE de PASCO procesa las medidas y representa la posición x del carrito en función del tiempo t

Para calcular la velocidad, el programa realiza una operación simple, divide la diferencia entre dos posiciones consecutivas del móvil entre el intervalo de tiempo Δt=1/f entre dichas medidas. Donde f es la frecuencia de muestreo

${\displaystyle v_i=\frac{x_{i+1}-x_i}{\Delta t}}$

La velocidad del carrito es positiva si se aleja del sensor y es negativa si se acerca al sensor. En la figura se muestra la velocidad de un carrito inicialmente en reposo, que se mueve hacia el sensor con velocidad de 0.56 m/s, después de la colisión con otro carrito.

Práctica de laboratorio

Los objetivos de la práctica de laboratorio son:

1. Comprobar el principio de conservación del momento lineal. En un sistema aislado de dos partículas que interactúan, el momento lineal inicial es igual al momento lineal final

m₁u₁+m₂u₂=m₁v₁+m₂v₂

2. Efectuar el balance energético de la colisión. Obteniendo la diferencia Q entre la energía cinética final e inicial de las partículas. Comprobando que en un choque elástico Q=0

${\displaystyle Q=\left(\frac{1}{2}{m}_1{v}_1^2+\frac{1}{2}{m}_2{v}_2^2\right)-\left(\frac{1}{2}{m}_1{u}_1^2+\frac{1}{2}{m}_2{u}_2^2\right)}$

En la experiencia de laboratorio, le porporcionamos masas adicionales al carrito de color azul y lo colocamos al lado del sensor izquierdo y el carrito rojo al lado del sensor derecho

Cuando la velocidad del carrito azul cambia bruscamente, se mide la velocidad u₁ antes del choque y después del choque v₁ registrados por el sensor de movimiento situado a la izquierda.

La velocidad del carrito es positiva cuando se aleja del sensor, cuando se mueve hacia la derecha y es negativa cuando se mueve hacia el sensor, cuando se mueve hacia la izquierda. El sensor de la izquierda nos proporciona el sentido correcto de las velocidades

Cuando la velocidad del carrito rojo cambia bruscamente, se mide la velocidad u₂ antes del choque y después del choque v₂ registrados por el sensor de movimiento situado a la derecha.

La velocidad del carrito es positiva cuando se aleja del sensor, cuando se mueve hacia la izquierda y es negativa cuando se mueve hacia el sensor, cuando se mueve hacia la derecha. El sensor de la derecha nos proporciona un sentido incorrecto de las velocidades, que tendremos que tener en cuenta a la hora de efectuar los cálculos

En la figura, vemos que la velocidad de un carrito azul, medida por el sensor de la izquierda, cambia bruscamente de u₁=0.43 m/s, a v₁=-0.26 m/s. Si el carrito fuera rojo, la velocidades medidas por el sensor de la derecha, con el signo corregido serían u₂=-0.43 m/s, y v₂=0.26 m/s

Explosiones

En el caso de las explosiones las velocidades antes u₁=0 y u₂=0. La energía interna almacenada en un muelle comprimido Q se convierte en energía cinética de los carritos 1 y 2, que se mueven en direcciones opuestas para que se conserve el momento lineal.

Choque elástico

Se simula un choque aproximadamente elástico enfrentando los carritos del lado que disponen de dos imanes. Los imanes se repelen cuando los dos carritos están cerca.

Choque completamente inelástico

Se simula un choque completamente inelástico enfrentando los carritos del lado que disponen de velcros. Los carritos al ponerse en contacto quedan pegados uno al otro.

Actividades

Se selecciona la experiencia: explosiones o choques, activando el botón de radio correspondiente

Se introduce

• La masa m₁ del carrito azul y la masa m₂ del carrito rojo, múltiplos de 250 g. Por defecto, m₁=250 g y m₂=500 g
• El coeficiente de restitución e, para los choques elásticos e=1, para los choques completamente inelásticos e=0. Estos son los dos únicos casos que se examinan en el laboratorio. El lector puede probar otros casos intermedios descritos en la página titulada Choques unidimensionales

Se pulsa el botón Nuevo para establecer el estado inicial (Masa de las partículas, posición inicial y velocidad inicial de cada partícula)

Se pulsa el botón titulado empieza ► para poner los carritos en movimiento. En la parte superior izquierda, vemos la gráfica de la velocidad del carrito azul registrada por el sensor de la izquierda. En la parte superior derecha, vemos la gráfica de la velocidad del carrito rojo registrada por el sensor de la derecha.

Se utiliza el botón pausa || para detener el movimiento y anotar las velocidades iniciales u₁ y u₂, antes del choque. Anotamos las velocidades finales v₁ y v₂, después del choque.

Corregimos el signo de las velocidades u₂ y v₂ medidas por el sensor de la derecha

Para cada experiencia, se dibuja sobre cada uno de los dos móviles una flecha indicando la dirección de la velocidad y al lado su magnitud, en el centro del móvil se pone la masa.

Se completa las filas de la tabla