A Física das Colisões

Bem, primeiramente podemos afirmar que tanto no jogo de sinuca, quanto na colisão entre carros no trânsito, utilizamos o que chamamos de princípio de conservação de quantidade de movimento, tal conceito nos fala sobre a quantidade de movimento dos corpos antes e após uma colisão, em um sistema isolado, se conserva. Assim ele é aplicado quando falamos das colisões.

No jogo de sinuca, por exemplo, o jogador deve bater com o taco em uma bola branca que irá acertar as demais bolas para direcioná-las até as caçapas, ao se chocarem as bolinhas, em partes, seguem o princípio de conservação do movimento, digo em partes pois não se trata de um sistema isolado.

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E em batidas entre carros, podemos observar a mesma coisa, porém por se tratar de outro material, não próprio para realizar colisões, digamos que há uma maior perda de energia nesse caso.

Mas o que isso tudo tem haver com as colisões dentro de aceleradores de partículas? Bem, antes de responder essa questão, vamos analisar mais afundo algumas características sobre esse conceito.

Nos exemplos cotidianos citados, jogo de sinuca e batidas entre automóveis no trânsito, acontece colisões entre os corpos, que ocasionam algumas trocas de forças que ocorrem em intervalos de tempo muito pequenos e acabam por modificar as características iniciais dos objetos envolvidos no fenômeno. Nesses e em outros casos, onde ocorrem colisões entre corpos, é possível dividir em duas fases distintas: deformação e restituição. Vamos analisa-las:

Deformação: Esta fase se inicia quando ocorre o primeiro contato entre os corpos no momento da colisão. Aqui a energia cinética que os corpos possuíam anteriormente à colisão pode ser transformada, totalmente ou parcialmente, em energia elástica. No instante em que ocorre esta transformação de energia, os corpos que colidem param instantaneamente, e a energia potencial elástica é armazenada, e convertida novamente em energia cinética na fase de restituição.

Restituição: Em uma situação ideal, toda a energia potencial elástica armazenada nos corpos durante a colisão irá ser transformada em energia cinética, e ainda é igual a energia cinética dos corpos antes da colisão. Nesse caso, os corpos não sofrem deformação permanente, apenas durante o choque. Porém nas colisões reais, como em uma batida entre automóveis no trânsito, a deformação, pelo menos em partes, é permanente e perceptível. Com isso parte da energia cinética é transformada em energia térmica, sonora ou mesmo em trabalho, que causa as deformações permanentes nos corpos envolvidos (o carro amassado após uma batida que o diga).

Ao considerar essas características distintas entre as colisões, é possível classifica-las em: colisões elásticas, parcialmente elásticas e inelásticas. Vamos a definição de cada uma:

Colisões Elásticas:

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Nesta situação os corpos envolvidos na colisão não sofrem deformações permanentes, e a energia mecânica total do fenômeno é conservada. Pense que toda a energia cinética anterior ao choque é restituída após o mesmo. Um exemplo, digamos bem próximo a tal característica é o próprio jogo de sinuca, ou mesmo o de bola de gude. Pois não deformação perceptível, e com isso podemos considerar (quase) um caso ideal.

Colisões Parcialmente Elásticas:

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Nesse caso a colisão que acontece entre os corpos é permanente, podendo ainda não ser perceptível. Então o que diferencia de uma colisão elástica? A conservação da energia mecânica!!! Na colisão parcialmente elástica a energia mecânica do sistema de corpos envolvidos não é conservada, logo ela é transformada em outras formas de energia (térmica, sonora, etc). Um exemplo desse tipo de colisão é uma bola de tênis quicando livremente, ela vai diminuindo sua altura de pulo, conforme o tempo vai passando, pois está perdendo energia mecânica para outras formas, como térmica e sonora.

Colisões Inelásticas:

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Nesse caso os corpos envolvidos se movem juntos após a colisão, e para essa situação não há restituição. Por exemplo, se atirarmos uma bolinha de massa de modelar contra uma bola de bilhar, é bem provável que a bolinha de massa de modelar se fixe junto com a bola de bilhar e siga em movimento junto com ela. Outro exemplo, quando há uma colisão traseira no trânsito, o carro de trás fica junto com o carro da frente o empurrando. Nas colisões inelásticas, a energia mecânica final é bem menor do que a energia mecânica inicial, também havendo transformação em energia térmica, sonora e outras mais.

Mas agora que você já sabe tudo sobre colisões, voltamos à pergunta no início: O que um jogo de sinuca, uma batida entre automóveis e as colisões entre partículas em aceleradores tem em comum?

Bem, na busca incansável pelos constituintes básicos da matéria, os físicos aceleram e colidem feixes de partículas com velocidades próximas a da luz em máquinas enormes, que são conhecidos como aceleradores de partículas. O mais famoso e mais extenso acelerador de partículas do mundo é conhecido como Grande Colisor de Hádrons (do inglês Large Hadron Collider – LHC), e possui uma circunferência de 27 km. O LHC está situado entre os países da Suíça e França, a 175 metros abaixo do nível do solo.

As colisões dentro do LHC são inelásticas, ou seja, a energia mecânica inicial se transforma, quase que totalmente, em outras formas de energia, como elétrica e térmica. E a partir dessas colisões foi possível, e ainda é, a descoberta de novas partículas, cada vez menores, que são constituintes da matéria.

Um dos casos mais divulgados por ai, foi o Bóson de Higgs, conhecido como a partícula de Deus, que após ter sido prevista por R. Brout, F. Englert, P. Higgs, G. S. Guralnik, C. R. Hagen e Tom Kibble em 1964, a partícula foi detectada em uma dessas colisões dentro do LHC, em junho de 2012, e confirmada em março de 2013.

Assim, podemos ligar conceitos que observamos no nosso dia a dia, como o jogo de sinuca e os acidentes de trânsito, com a Física Moderna. E isso tudo faz parte do maravilhoso universo da ciência! Até a próxima pessoal!

Prof. Tai
@proftaifisica