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Meteoritos, partículas y colisiones
Que la energía cinética (antes llamada fuerza viva) representa el cambio del movimiento mecánico en otra forma de movimiento.
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El meteorito Hoba, el más grande que se haya impactado contra la Tierra, cayó hace 80 mil años sobre lo que hoy es Namibia, Sudáfrica. Está formado por hierro (86 por ciento), tiene una masa de 60 toneladas y su forma es similar a una caja con lados de casi tres metros de largo y uno de alto.

Los aceleradores de partículas son aparatos provistos de campos electromagnéticos que “disparan” partículas a altas velocidades para que choquen entre sí y sus efectos sean estudiados. El mayor en el mundo es el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), construido en la frontera entre Suiza y Francia entre 1998 y 2008. Es un “tubo” circular con perímetro de 27 kilómetros localizado a 100 metros bajo la superficie terrestre.

¿Cómo estudia la física los choques entre el meteorito y la Tierra, y los de las partículas en el LHC?

Lo primero a destacar es que son dos cantidades que dependen de la masa de los cuerpos y de la velocidad a la que éstos se mueven; éstas son 1) Energía cinética: es la energía asociada al movimiento y su fórmula es . 2) Cantidad de movimiento: es la multiplicación de la masa del objeto por la velocidad a la que se mueve (mv).

Estas dos cantidades nos sirven, entre otras cosas, para diferenciar dos tipos de choques o colisiones: las elásticas y las inelásticas. 1) En las colisiones inelásticas, los dos objetos se mueven juntos después de chocar (se “quedan pegados”); es decir, ambos tienen la misma velocidad final (como ocurre en algunos choques automovilísticos). En este tipo de colisiones se conserva la cantidad de movimiento; o sea que la cantidad de movimiento total del sistema es la misma antes y después de la colisión. 2) En las colisiones elásticas ambos objetos se mueven en direcciones diferentes después del choque (“rebotan”); es decir, sus velocidades finales son distintas (como sucede con dos bolas de billar). En este tipo de colisiones también se conserva la cantidad de movimiento; pero, además, se conserva la energía cinética del sistema.

La conservación de la cantidad de movimiento y la conservación de la energía cinética producen expresiones matemáticas que permiten conocer las masas y las velocidades iniciales y finales.

La colisión del meteorito Hoba con la Tierra fue inelástica, porque el primero se quedó unido a la segunda. La energía cinética del meteorito, dada su masa de 60 toneladas y una velocidad de 320 metros por segundo, fue de ¡tres mil millones de Joules! Se necesitan 10 mil Joules de energía para levantar un auto de una tonelada a un metro, de modo que la energía cinética del meteorito fue la misma que la requerida para levantar ese auto a una altura de 300 kilómetros.

En los aceleradores, las partículas se alcanzan velocidades cercanas a las de la luz, pero sus masas son extremadamente pequeñas. El récord mundial de mayor energía de colisión total se obtuvo precisamente en el LHC en 2015 y fue de 13 TeV (tera electrón – volts), es decir, 0.00000208 Joules.

Hemos hablado de cantidad de movimiento y de energía cinética, pero ¿cuál es la diferencia entre ellas?

Matemáticamente, ambas dependen de la fuerza que se aplica sobre el objeto, pero la cantidad de movimiento depende también del tiempo durante el cual se aplica la fuerza, mientras que la energía cinética, de la distancia recorrida por el objeto mientras se le aplicó la fuerza.

La diferencia de fondo entre estas dos cantidades fue resuelta por Federico Engels en su Dialéctica de la Naturaleza. Engels señaló que “el movimiento mecánico tiene una doble medida”. Que la energía cinética (antes llamada fuerza viva) representa el cambio del movimiento mecánico en otra forma de movimiento (energía potencial, calor, electricidad), mientras que la cantidad de movimiento representa el movimiento mecánico cuando éste se mantiene.


Escrito por Daniel Lara Jáuregui

COLUMNISTA


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