Una pelota que choca con dos paredes verticales
El centro de la pelota parte del origen y se lanza con velocidad V0x hacia la pared opuesta a la vez que gira con velocidad angular ω0, alrededor de un eje que pasa por el centro y que es perpendicular al plano de la trayectoria.
Las dos paredes verticales paralelas forman un canal de anchura w+2R, siendo R el radio de la pelota. El máximo desplazamiento horizontal del centro de la pelota es w.
Tiro parabólico
Las ecuaciones del movimiento del centro de la pelota son
La pelota choca con la pared derecha cuando su centro se desplaza w de modo que, la posición y velocidad de la pelota inmediatamente antes del primer choque son
La velocidad angular inicial de rotación ω0 no se ve afectada por la gravedad.
Choque inelástico con la pared derecha.
La componente de la velocidad perpendicular a la pared cambia de módulo y sentido después del choque (primera figura).
En el momento del choque, la fuerzas que ejerce la pared sobre la pelota (fuerza normal y fuerza de rozamiento) actúan en el punto de contacto O. Por lo que el momento angular de la pelota respecto de dicho punto permanece constante (segunda figura).
Para dar cuenta de las pérdidas de energía de la pelota durante el choque, en particular, el deslizamiento del punto de contacto sobre la superficie, se introduce el coeficiente de restitución tangencial β, de modo que las velocidades del punto de contacto O inmediatamente antes y después del choque están relacionadas (tercera figura).
V’1y+ω1R=-β(V0y+ω0R)
Después del primer choque, obtenemos V1x, V’1y y Rω1 en términos de las velocidades iniciales V0y, V0x y Rω0
Cuando β=1 y ε=1, las ecuaciones se reducen al choque elástico.
Tiro parabólico
La pelota con su centro en la posición
se lanza con velocidad inicial V1x y V’1y hacia la pared izquierda del canal. Las ecuaciones del movimiento del centro de la pelota son
La pelota choca con la pared izquierda cuando su centro se desplaza a la posición x=0 de modo que, la posición y velocidad de la pelota inmediatamente antes del segundo choque son
Choque de la pelota con la pared vertical izquierda
La componente de la velocidad perpendicular a la superficie cambia de módulo y sentido después del choque.
La conservación del momento angular respecto de O se escribe
Las velocidades del punto de contacto O inmediatamente antes y después del choque están relacionadas
V’2y-ω2R=-β(V1y-ω1R)
Después del segundo choque, obtenemos V2x, V’2y y Rω2 en términos de las velocidades V1x, V1y y Rω1
Tiro parabólico
La pelota parte de la posición x=0, y2 con velocidad V2x, V’2y hacia la pared derecha
y así, se vuelve a repetir el movimiento
Ejemplos
Choque elástico
- Coeficiente de restitución normal, ε=1
- Coeficiente de restitución tangencial, β=1
- La pelota es una esfera homogénea de radio R, γ=2/5
Choque con la pared derecha, x=1.0
(1)
Choque con la pared izquierda, x=0
(2)
- Velocidades iniciales V0x=5.5, V0y=0, Rω0=0 en el origen x=0, y=0
- Máximo desplazamiento horizontal del centro de la pelota, w=1.0
Etapas del movimiento
- Tiro parabólico desde el origen a la posición de choque con la pared derecha
- Choque con la pared derecha, x=1
- Tiro parabólico desde la posición de choque 1 a la posición de choque 2 con la pared izquierda
- Choque con la pared izquierda, x=0
- Tiro parabólico desde la posición de choque 2 a la posición de choque 3 con la pared derecha.
- Choque con la pared derecha, x=1
Tiempo de choque, t=w/V0x=1/5.5
Posición del choque con la pared y velocidad inmediatamente antes del choque
Aplicamos las fórmulas (1)
V1x=-5.5 m/s, V’1y=-0.76 m/s, Rω1=2.55 m/s
Tiempo de choque, t=-w/V1x=1/5.5
Posición y velocidad inmediatamente antes del choque
Aplicamos las fórmulas (2)
V2x=5.5 m/s, V’2y=0.3 6 m/s, Rω2=-4.73 m/s
Tiempo de choque, t=w/V2x=1/5.5
Posición y velocidad inmediatamente antes del choque
Aplicamos las fórmulas (1)
V3x=-5.5 m/s, V’3y=2.09 m/s, Rω3=4.05 m/s
Y así, sucesivamente.
En la figura, se representa la trayectoria seguida por el centro de la pelota tras sucesivos rebotes.
Choque inelástico
- Coeficiente de restitución normal, ε=0.9
- Coeficiente de restitución tangencial, β=0.95
- La pelota es una esfera homogénea de radio R, γ=2/5
Choque con la pared derecha, x=1.0
(1)
Choque con la pared izquierda, x=0
(2)
- Velocidades iniciales V0x=5.5, V0y=0, Rω0=0 en el origen x=0, y=0
- Máximo desplazamiento horizontal del centro de la pelota, w=1.0
Etapas del movimiento
- Tiro parabólico desde el origen a la posición de choque con la pared derecha
- Choque con la pared derecha, x=1
- Tiro parabólico desde la posición de choque 1 a la posición de choque 2 con la pared izquierda
- Choque con la pared izquierda, x=0
- Tiro parabólico desde la posición de choque 2 a la posición de choque 3 con la pared derecha.
- Choque con la pared derecha, x=1
Tiempo de choque, t=w/V0x=1/5.5
Posición del choque con la pared y velocidad inmediatamente antes del choque
Aplicamos las fórmulas (1)
V1x=-4.95 m/s, V’1y=-0.79 m/s, Rω1=2.48 m/s
Tiempo de choque, t=-w/V1x=1/4.95
Posición y velocidad inmediatamente antes del choque
Aplicamos las fórmulas (2)
V2x=4.46 m/s, V’2y=0.16 m/s, Rω2=-4.83 m/s
Tiempo de choque, t=w/V2x=1/4.46
Posición y velocidad inmediatamente antes del choque
Aplicamos las fórmulas (1)
V3x=-4.0 m/s, V’3y=1.79 m/s, Rω3=4.74 m/s
Y así, sucesivamente.
En la figura, se representa la trayectoria seguida por el centro de la pelota tras sucesivos rebotes.
Actividades
Se introduce
- El coeficiente de restitución normal ε, en el control titulado Restitución.
- El coeficiente de restitución tangencial β, en el control titulado Coef. beta.
- La velocidad angular inicial de rotación ω0R, en el control titulado Rotación ω·R
- La pelota es una esfera homogénea cuyo momento de inercia es I=(2/5)mR2, por lo que γ=2/5.
- El máximo desplazamiento horizontal del centro de la pelota es w=1.0
Se pulsa el botón titulado Nuevo
Observar la trayectoria seguida por el centro de la pelota y calcular las posiciones y velocidades en cada rebote
Referencias
Hefner B. T. The kinematics of a superball bouncing between two vertical surfaces. Am. J. Phys. 72 (7) July 2004, pp. 875-883