Choques (mecánica)

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Definición. Aunque en su origen, la noción de ch. (o colisión) en Física remonta al estudio de las interacciones repulsivas de corto alcance y variación espacial muy rápida (piénsese en el ch. entre dos bolas de billar, fig. 1); actualmente se denomina ch. a cualquier interacción entre un número finito (no necesariamente dos) de partículas, agregados de partículas, cuerpos rígidos, etc., que produzca una alteración (en un sentido amplio) de sus respectivos estados mecánicos, medible directa o indirectamente. El modelo de interacción supuesto condiciona las leyes de conservación del proceso. Experimentos directos o indirectos pueden servir de base para la confirmación o eliminación de determinadas leyes de conservación supuestas en un ch. y, en definitiva, del tipo de interacción supuesto. Asimismo la suposición de la validez de una determinada ley de conservación puede permitir -hasta nueva experiencia contradictoria- la introducción de partículas fundamentales nuevas (así se descubrió el neutrino, partícula subatómica).

Puntos de vista clásico y cuántico. Clásicamente siempre es posible definir una distancia crítica de colisión entre dos sistemas interactuantes (fig. 1) que es aquella distancia de mínimo acercamiento entre dos sistemas, a partir de la cual su disminución implica el ch., lo que no significa necesariamente el contacto geométrico entre ellos. De ahí que la noción vulgar de ch. corresponda a un caso muy particular de la noción física. Desde el punto de vista de la Mecánica cuántica (v. MECÁNICA IV), debido a las relaciones de indeterminación de Heisenberg (que reposan sobre una base experimental sólida), el conocimiento con precisión "grande" de la velocidad de una partícula hace que pierda todo contenido físico la noción de su trayectoria. No obstante, siempre que se habla de centro de fuerzas (fig. 2) se suele entender como tal una perturbación local del espacio de rango bien determinado. Ese rango define entonces la distancia crítica para el ch. de una partícula libre con el centro; se suele hablar de ch. continuo. cuando el alcance del centro de fuerzas es infinito como, p. ej., un potencial newtoniano gravitatorio puro. Sea C un centro de fuerzas y M una partícula libre; se denomina parámetro de impacto de M respecto a C a la distancia entre la trayectoria de M y C, sea de la trayectoria propiamente dicha o de una prolongación virtual de ella (fig. 1 y 2). Así, aunque clásicamente tienen sentido e interés los procesos de colisión en los que el parámetro de impacto puede ser arbitrario dentro de unos determinados límites (v. MECÁNICA II), es precisamente en Mecánica cuántica donde aparecen como naturalmente interesantes. Supóngase determinada la velocidad de una partícula incidente sobre un blanco; p. ej., la experiencia puede ser imaginada así: se supone que la partícula puede ser una cualquiera dentro de un cierto haz cilíndrico monocinético de diámetro no muy grande, a fin de limitarnos a la imagen más sencilla. El haz incide sobre el blanco, que se denomina centro difusor (centro de scattering, en inglés) y al cabo de un cierto intervalo de tiempo (piénsese en interacciones repulsivas de corto alcance) sé detectan partículas en cualquier dirección, respecto a la del haz incidente (fig. 2); se denomina sección eficaz (diferencial) por unidad del ángulo sólido del ch. a la razón entre el número de partículas detectadas en una dirección dada, por unidad de tiempo, y el de partículas que por unidad de tiempo atravesaba una sección recta unidad del haz incidente (se suele utilizar, en Física nuclear como unidad de sección eficaz 1 barn= =10-z° cmz, siendo las dimensiones de los blancos - 1 fermi=10-13 cm.; el valor de una sección eficaz depende evidentemente de la interacción supuesta). Se suele hablar asimismo de probabilidad de transición de un estado inicial (¡)hacia un estado final (f).

Conviene añadir que así como en Mecánica clásica una barrera de potencial finita (una región en la que el valor del potencial repulsivo es superior a la energía mecánica de una partícula, p. ej., que va a chocar con ella) es infranqueable, en Mecánica cuántica existe una probabilidad de transición no nula (la partícula "atraviesa" la barrera, fenómeno que se denomina efecto túnel).

Clasificación. Ejemplos. Indice de elasticidad de choque. Cuando dos partículas libres (o sea que en el proceso a estudiar ninguna de ellas constituye un estado ligado de otro sistema), o dos agregados de partículas, chocan, puede ocurrir: a) Que las partículas, o agregados, salgan del ch. sin modificación de sus estados internos: ch. perfectamente elástico; un caso particular es, en primera aproximación, el que ocurre entre dos bolas de billar, en el que se cumple la conservación del ímpetu vectorial global y de la energía cinética global (v. DINÁMICA), según:

choque:

A+B -> A+B

ímpetu (cantidad de mov’ -siento vectorial global): mvÁ +mvB=mvÁ +mvB

energía (cinética global):

2mvtz+Jmv¡z= mvf2+