Universo energético. La conservación de la energía (IV). Conservación del momento lineal

23 de septiembre de 2016

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Bruno Henríquez

 

Lo que no se sabe expresar es que no se sabe.

Friedrich Engels

 

Las leyes de conservación describen magnitudes que permanecen constantes en la naturaleza. Si estas magnitudes físicas se miden cuidadosamente, y si todas las fuentes conocidas son tomadas en consideración, siempre permanecerán inalteradas. La validez de las leyes de conservación se demuestran a través de experimentos. Las leyes de conservación incluyen la conservación del momento lineal, la conservación del momento angular, la conservación de la energía y la masa, y la conservación de la carga eléctrica. Además, hay muchas leyes de conservación que tratan de partículas subatómicas.

 

La conservación del momento lineal o momentum

En esta serie sobre las leyes de conservación el presente trabajo se dedica a la conservación del momento lineal o momentum, les mencionaré algunos ejemplos para explicar mejor a que me refiero.

Una nave espacial al despegar, el retroceso al disparar un fusil, y los choques de las bolas en el juego de billar son ejemplos que demuestran la conservación de momento lineal.

El momentum o momento lineal se define como el producto de la masa de un objeto por su velocidad. Por ejemplo, el momento lineal de un voluminoso jugador de fútbol rugby de 220 lb (100 kg) corriendo a una velocidad de 16 km/ h es exactamente igual al momento lineal de un estilizado velocista de 110 lb (50 kg) corriendo a 32 km/h. Como la velocidad tiene ambas propiedades la rapidez y la dirección, el momento lineal está también determinado por su dirección. En términos matemáticos populares entre físicos e ingenieros estas magnitudes se designan como vectores pues tienen, magnitud, dirección y sentido.

 

El momento lineal de uno o más objetos se conserva cuando no hay fuerzas externas actuando sobre ellos

Por ejemplo, considere una nave espacial en espacio exterior profundo, donde la fuerza de gravedad es insignificante. El momento lineal se conserva, ya que no actúa la fuerza de gravedad. Si la nave espacial está inicialmente en reposo, su momento es cero, ya que su velocidad es cero (Antes en la figura). Si los motores cohete se encienden de repente, la nave espacial será impulsada hacia adelante (después en la figura). Para que el momento lineal se conserve, el momento final debe ser igual al momento inicial, o sea cero. El momento lineal total se conserva si se tienen en cuenta ambos momentos el del cohete y el de los gases expulsados por la parte trasera. El momento positivo de la nave espacial impulsada hacia adelante es igual al momento negativo de los gases impulsados hacia atrás.

 

 

He utilizado la dirección de movimiento para definir los sentidos positivo y negativo, así la suma de ambos momentos es cero. Es importante destacar que la propulsión del cohete no se logra por que los gases expulsados se apoyen o choquen con alguna cosa, como se podría pensar. En el espacio exterior no hay nada en que apoyarse.

 

La propulsión del cohete se logra por la conservación de momento lineal

Una forma fácil para demostrar este tipo de propulsión es propulsándose uno mismo parado sobre una superficie casi sin fricción como cuando se usan patines y con menos fricción aún si son patines de hielo. Como hay poca fricción se conserva el momento. Si usted lanza un objeto en una dirección dada, esto hará que usted se mueva en dirección contraria.

Aun en los casos donde las fuerzas externas son significativas, el concepto de conservación de momento lineal puede ser aplicado de forma limitada o sea con ciertas restricciones. Un caso particular sería el momento de objetos afectados por la fuerza de gravedad como agente externo. Por ejemplo, en una modalidad del tiro deportivo se dispara una bala contra un disco de arcilla que ha sido lanzado al aire. El momento lineal de la bala y del disco de arcilla justo en el instante antes del impacto es igual al momento lineal del conjunto formado por la bala y centenares de pedazos de arcilla un pequeño instante después del impacto. El momento lineal se conserva un pequeño instante antes, durante, y un pequeño instante después del choque. Esto es cierto porque la fuerza externa (la gravedad) no afecta significativamente el momento de los objetos dentro de ese estrecho lapso de tiempo. Muchos segundos más tarde, sin embargo, la aceleración de la gravedad actuando sobre la bala y los fragmentos tendrá una influencia significativa, y el momento total de los objetos no será el mismo que poco antes del choque.

Hay muchos ejemplos de la conservación del momento lineal. Párese en un bote de remos y comience a caminar hacia adelante enseguida notará que el bote comienza a moverse hacia atrás respecto al agua: El momento que sus piernas le imprimen a su cuerpo es igual y opuesto al momento que le imprimen al bote. Cuando se dispara un fusil, el impacto que uno siente contra su hombro es debido al momento del fusil, el cual es igual pero en sentido opuesto al momento de la bala.

Si se intenta detener un asteroide que se acerca a gran velocidad y va achocar con la Tierra, es importante tener en cuenta la conservación del momento, pues según sea el choque o la explosión usada para destruir o desviar al asteroide los fragmentos seguirán viajando en la misma dirección, por eso es importante desviar la trayectoria de forma que el centro de masa no vaya a caer precisamente donde queremos evitar que choque el asteroide.

 

 

La conservación de los momentos (lineal y angular) se usa para dar a las sondas espaciales un impulso adicional cuando pasan cerca de los planetas. El momento del planeta cuando gira alrededor del sol en su órbita es transferido por la atracción gravitacional a la sonda espacial que se le cruza, aumentándole su velocidad en el trayecto al siguiente planeta. En todos los experimentos que se han realizado, no ha habido nunca alguna violación de la ley de conservación de momento lineal. Y sin embargo se ha podido acelerar las naves y enviarlas a distancias a las que no habrían podido llegar solo por el impulso de sus motores.

Un ejemplo de conservación del momento lineal que usted puede hacer y resulta muy entretenido para los niños y asombra a muchos adultos se logra con dos pelotas de diferente tamaño, se puede hacer con una pelota de voleibol y otra de Tenis, u otras cualesquiera pero que tengan una diferencia de tamaño notable como las mencionadas.

Primero deje caer, sin impulsarlas, cada una de las pelotas por separado y vea que altura alcanzan al rebotar. Después coloque la pelota pequeña encima de la grande y déjelas caer, verá entonces que al rebotar contra el suelo el momento lineal de la pelota grande se transmitirá a la pequeña que saldrá disparada a gran velocidad alcanzando una gran altura. Hágalo y además de instructivo lo encontrará muy entretenido y le dará la oportunidad de explicarle a los demás lo que aprendió aquí.