Lesson 3.3Effect of Collisions

Force and MotionLesson Guides

Lesson 3.3

© The Regents of the University of California

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Rereading “Crash!”

Why are the effects of a collision between a bug and a car’s windshield so different from the effects of a collision between two bugs?

Read paragraphs 3 and 4 of “Crash!” and then answer the questions. As you read, you may want to highlight or annotate parts of the text that could prove helpful.

1. What are the effects of the collision forces when objects with different masses collide?

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2. What are the effects of the collision forces when objects of the same mass collide?

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Force and Motion—Lesson 3.3—Activity 2

© 2018 The Regents of the University of California. All rights reserved. Permission granted to photocopy for classroom use.

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Homework: Reading “Wrecking Ball”

Read “Wrecking Ball.” Annotate the article as you read. Then, answer the questions below.

1. Explain why a wrecking ball can destroy a building, but a yo-yo can’t. Use the term kinetic energy in your explanation.

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2. How is speed related to kinetic energy?

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Active Reading Guidelines

1. Think carefully about what you read. Pay attention to your own understanding.

2. As you read, annotate the text to make a record of your thinking. Highlight challenging words and add notes to record questions and make connections to your own experience.

3. Examine all visual representations carefully. Consider how they go together with the text.

4. After you read, discuss what you have read with others to help you better understand the text.

Force and Motion—Lesson 3.3—Activity 4

© 2018 The Regents of the University of California. All rights reserved. Permission granted to photocopy for classroom use.

Crash! Forces in Collisions C1

When a car hits a bug, both the car and the bug experience the same forces. However, those same forces have a much greater effect on the bug because its mass is so much less than the mass of the car.

Crash! Forces in Collisions

Say you’re in a car driving down the highway at 60 miles per hour, and...SPLAT! Your car hits a bug. It probably seems like all the force of that collision acted on the bug. After all, the bug is splattered across your windshield, but you and the car probably didn’t feel a change. However, not all collisions result in such different results. When two bugs that are about the same size fly into each other, the effect on both bugs is similar: they’re both bumped off course

by about the same amount. How can some collisions affect objects the same way (like the two bugs) and other collisions have vastly different effects (like the bug splattered on the car windshield)? The world is full of things running into each other, and what happens as a result of those collisions depends on the physics of force, mass, and velocity. Below, you’ll read about everyday examples of how collisions affect objects around us.C

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C2 Crash! Forces in Collisions

Pool players can use physics to make the balls on the table go where they want them to.

When two pool balls collide, both balls experience the same amount of force, but in opposite directions. Because they have the same mass, the ball that is moving stops, while the ball that is sitting still begins to move.

How to Stop a Pool Ball

In a game of pool, also known as billiards, you hit a white cue ball with a long stick called a cue. You want the cue ball to knock other balls, sitting stationary on the pool table, into the pockets on the edges of the table. However, you don’t want the cue ball to follow them into the pockets. Hitting the cue ball can be risky! Whether they know it or not, pool players use physics to their advantage: if they set up the collision just right, the cue ball comes to a complete stop after the collision, while the colored ball starts moving. How does that work? During a collision, both balls experience the same force, but in opposite directions. When a moving object collides in a straight line with an object of the same mass that’s sitting still, both objects experience the same amount of force. However, the motion of the balls changes in different ways because of their initial velocity and the direction of the force on them. The moving object changes its velocity by going from motion to rest, while the still object goes from rest to motion with the same velocity the moving object used to have. Since the force is experienced by both balls, but in different directions, the colored ball moves across the table while the cue ball stops. That gives you the chance to win the game!

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Bump!

If you’ve ever driven a bumper car at a carnival or fair, you’ve already studied your fair share of collisions. After all, bumping into other cars is the whole point of bumper cars—it’s right there in the name! If you and your bumper car bump into a car carrying a friend who’s about the same size as you are, you might expect that both of you would experience equal forces. You have about the same amount of mass and are about the same size, so if you’re both already moving, you bounce away from each other to about the same distance. But what if you bump into somebody with a different mass? Say you bump into your little brother, who has less mass than you do. You bounce back just a little bit, but your brother and his bumper car go zooming across the floor. Would you believe that the forces you experienced during the collision are still exactly the same? They are! Your brother moved far away from you because he has less mass than you do—the amount of force you both experienced was enough to send him flying at high speed. You didn’t travel as far as he did because you have more mass. The effect of that same amount of force was only enough to change the velocity of your mass a small amount. C

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Crash! Forces in Collisions C3

When two bumper cars collide, both cars experience the same amount of force. How each car responds after the collision depends on how much mass each rider has.

When a bumper car carrying a person with a lot of mass collides with a bumper car carrying a person without much mass, both bumper cars and both people experience the same forces. However, those forces have stronger effect on the person with less mass, sending him or her zooming across the floor.

The distribution of forces in a collision between your car and a bug isn’t so different from the forces in a collision between your bumper car and your brother’s—in both collisions, both objects (or people) experience equal forces. It’s the difference in the masses of the objects or people that makes the effects of the collisions dramatically different. Since the bug is so tiny, the effect of the collision with the windshield is large enough to suddenly change its velocity by a lot—so much that it ends up exploding on the windshield. Nothing so terrible happens to your brother in the bumper car when you run into him, though—your mass and his mass aren’t very different, so the effects of the equal forces your collision produces affect you only slightly differently.

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C4 Crash! Forces in Collisions

However, those same forces have a much greater effect on the bug because its mass is so much less than the mass of the car.

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Wrecking Ball D1

A wrecking ball like this one can knock a building down quickly.

Wrecking BallWhen a building becomes unsafe for people to use, or just isn’t wanted anymore, a demolition company usually comes and tears down the building. This makes room for another use for the land. One way to tear down a building is to use a wrecking ball, a massive steel ball that swings from a chain attached to a tall crane. When the wrecking ball collides with a building, it breaks the walls of the building into pieces. A single hit from a wrecking ball can destroy a large part of a building.

However, setting up a wrecking ball isn’t so simple: because wrecking balls are so massive, they can be difficult and expensive to move from place to place. They also make a big mess, throwing dust and pieces of building all over. So why do we use them? Compared to older ways of tearing down buildings, wrecking balls are

speedy and efficient. (Before the invention of the wrecking ball in the 1800s, people used to tear buildings down brick by brick and board by board, which wasn’t speedy or efficient at all. Wrecking balls are used less often today than they used to be, but are still used to destroy some buildings.)

What makes wrecking balls so good at what they do? Let’s compare a wrecking ball with a toy yo-yo. A yo-yo is shaped like a wrecking ball but is much, much smaller and less massive. Say you swing the yo-yo into the side of a building, just like a crane would swing a wrecking ball. The collision wouldn’t have very noticeable effects on the building OR the yo-yo: the yo-yo would just bounce off the wall, and the wall would probably stay just as it was. Why does a collision with a wrecking ball knock a W

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D2 Wrecking Ball

A swinging wrecking ball has a lot of kinetic energy—enough to break up a massive building

wall down, but a collision with a yo-yo doesn’t? The difference is all in the size and mass of the wrecking ball—the thing that makes it hard to move is exactly what makes it good for knocking things down.

Making any kind of big physical change, like destroying a massive object, takes a lot of energy. This is certainly true of buildings: since they are big and have a lot of mass, it takes strong forces to knock them down. The forces produced by a collision with something massive, like a 5,443-kilogram (12,000-pound) wrecking ball, are stronger than the forces produced by a collision with something of a similar shape but much less mass, like a 0.05-kg (2-ounce) yo-yo. That’s because collision forces transfer kinetic energy, or motion energy, from one object to another. The kinetic energy transferred to the wall is what causes the wall to break apart.

The more kinetic energy an object has, the more energy it can transfer to another object, and the stronger the force of a collision with it will be. Kinetic energy is related to the mass of the objects: as the the mass of an object grows, its kinetic energy grows by the same amount. Kinetic energy is also related to speed. When the speed of an object increases, its kinetic energy becomes much greater. In fact, kinetic energy grows by the square of the speed of an object. This means that if an object doubles in speed, then its kinetic energy is four times greater than it was before the increase in speed. If an object’s speed increases by three times, its kinetic energy is now nine times greater! Even though speed is important to kinetic energy, a yo-yo would have to be moving VERY fast to have as much kinetic energy as a wrecking ball, because a wrecking ball is so much greater in mass. The massive wrecking ball has enough kinetic energy to break up nearly any building, leaving space for something new. W

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Volver a leer “¡Choque!”

¿Por qué son los efectos de una colisión entre un insecto y el parabrisas de un auto tan diferentes de los efectos de una colisión entre dos insectos?

Lee párrafos 3 y 4 de “¡Choque!” y luego contesta las preguntas. Al leer, quizá quieras destacar o añadir apuntes a las partes del texto que podrían ser útiles.

1. ¿Qué son los efectos de las fuerzas de colisión cuando colisionan objetos de masas diferentes?

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2. ¿Qué son los efectos de las fuerzas de colisión cuando colisionan objetos de la misma masa?

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Fuerza y movimiento—Lección 3.3—Actividad 2

© 2018 The Regents of the University of California. All rights reserved.

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Tarea: leer “La bola de demolición”

Lee “La bola de demolición”. Añade apuntes al artículo mientras lees. Luego, contesta las siguientes preguntas.

1. Explica por qué una bola de demolición puede destruir un edificio, pero un yoyo no puede. Usa el término energía cinética en tu explicación.

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2. ¿Cómo está relacionada la rapidez con la energía cinética?

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Pautas de la Lectura Activa

1. Piensa cuidadosamente sobre lo que lees. Presta atención a tu propia comprensión.

2. Mientras lees, añade apuntes al texto para tener un registro de tus ideas. Destaca las palabras difíciles, y agrega notas para apuntar tus preguntas y hacer conexiones con tu propia experiencia.

3. Examina cuidadosamente todas las representaciones visuales. Considera cómo se relacionan con el texto.

4. Después de leer, discute lo que leíste con otros/as estudiantes para ayudarte a comprender mejor el texto.

Fuerza y movimiento—Lección 3.3—Actividad 4

© 2018 The Regents of the University of California. All rights reserved.

¡Choque! Fuerzas en las colisiones C1

Cuando un auto choca con un insecto, tanto el auto como el insecto experimentan las mismas fuerzas. Sin embargo, aquellas mismas fuerzas tienen un efecto mucho mayor sobre el insecto, ya que su masa es mucho menor que la masa del auto.

¡Choque! Fuerzas en las colisiones

Digamos que vas en un auto manejando por la carretera a 60 millas por hora y… ¡PLAF! Tu auto choca con un insecto. Probablemente parezca que toda la fuerza de esa colisión fue ejercida sobre el insecto. Después de todo, el insecto está salpicado por tu parabrisas, pero probablemente ni tú ni el auto sintieron un cambio. No obstante, no todas las colisiones tienen resultados tan diferentes. Cuando dos insectos que son de aproximadamente el

mismo tamaño vuelan y chocan uno con el otro, el efecto sobre ambos insectos es similar: Los dos se desvían de su trayectoria de casi igual manera. ¿Cómo pueden algunas colisiones afectar objetos de la misma manera (como los dos insectos) y otras colisiones tener efectos tan tremendamente diferentes (como el insecto salpicado por el parabrisas del auto)? El mundo está lleno de objetos chocando unos contra otros, y lo que suceda como resultado de ¡C

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C2 ¡Choque! Fuerzas en las colisiones

Los/as jugadores/as de billar pueden usar la física para dirigir las bolas sobre la mesa a donde quieran.

Cuando dos bolas de billar colisionan, ambas bolas experimentan la misma cantidad de fuerza, pero en direcciones opuestas. Ya que tienen la misma masa, la bola en movimiento se detiene, mientras que la bola que está inmóvil comienza a moverse.

esas colisiones depende de la física de fuerza, masa y velocidad. Más adelante, leerás sobre ejemplos cotidianos de cómo los objetos que nos rodean son afectados por colisiones.

Cómo detener una bola de billar

En un partido de billar, golpeas una bola blanca con un palo largo llamado el taco. Quieres que la bola blanca les pegue a las otras bolas ubicadas de forma estacionaria sobre la mesa de billar, y que las haga entrar a las troneras en los costados de la mesa. Sin embargo, no quieres que la bola blanca siga el rumbo de las otras bolas adentro de las troneras. ¡Golpear la bola blanca puede ser un riesgo! Sepan o no lo sepan, los/as jugadores/as de billar utilizan la física para aventajarse. Si preparan la colisión de manera precisa, la bola blanca se detiene totalmente después de la colisión, mientras que la bola de color comienza a moverse. ¿Cómo funciona esto? Durante una colisión, ambas bolas experimentan la misma fuerza, pero en direcciones opuestas. Cuando un objeto en movimiento colisiona en línea recta con un objeto de la misma masa que está inmóvil, ambos objetos experimentan la misma cantidad de fuerza. No obstante, el movimiento de las

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bolas cambia de diferentes maneras debido a su velocidad inicial y la dirección de la fuerza ejercida sobre ellas. El objeto en movimiento cambia su velocidad yendo de movimiento a reposo, mientras que el objeto inmóvil va de reposo a movimiento con la misma velocidad que tenía el objeto en movimiento. Ya que la fuerza es experimentada por las dos bolas, pero en direcciones diferentes, la bola de color se mueve a lo largo de la mesa mientras que la bola blanca se detiene. ¡Eso te da la oportunidad de ganar el partido!

¡Choque!

Si alguna vez has manejado un carro chocón en un carnaval o una feria, ya has estudiado tu buena cantidad de colisiones. Después de todo, chocar contra otros carros es exactamente la idea de los carros chocones.

¡Lo dice su nombre! Si tú y tu carro chocón chocan contra un carro que lleva a un amigo de aproximadamente el mismo tamaño tuyo, tal vez esperes que tú y él experimenten fuerzas iguales. Ustedes tienen alrededor de la misma cantidad de masa y son de casi el mismo tamaño, así que si ustedes dos ya están en movimiento, rebotan alejándose más o menos ¡C

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¡Choque! Fuerzas en las colisiones C3

Cuando dos carros chocones colisionan, ambos carros experimentan la misma cantidad de fuerza. Cómo responda cada carro después de la colisión depende de cuánta masa tenga cada conductor/a.

Cuando un carro chocón que lleva a una persona con mucha masa colisiona con un carro chocón que lleva a una persona sin mucha masa, ambos carros chocones y ambas personas experimentan las mismas fuerzas. Sin embargo, aquellas fuerzas tienen un efecto más potente sobre la persona con menos masa, y la mandan volando por el piso.

la misma distancia. ¿Pero qué sucede si chocas con alguien con una masa diferente? Digamos que chocas con tu hermano menor, quien tiene menos masa que tú. Tú rebotas un poco, pero tu hermano y su carro chocón se van volando por el piso. ¿Creerías que las fuerzas que experimentaron durante la colisión aún son las mismas? ¡Lo son! Tu hermano rebotó lejos de ti porque él tiene menos masa que tú. La cantidad de fuerza que ustedes dos experimentaron fue suficiente para mandarlo volando con gran rapidez. Tú no viajaste tan lejos como él porque tú tienes más masa. El efecto de esa misma cantidad de fuerza fue suficiente solo para cambiar la velocidad de tu masa por una muy pequeña cantidad.

La distribución de fuerzas en una colisión entre tu auto y un insecto no es tan diferente de las

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C4 ¡Choque! Fuerzas en las colisiones

Sin embargo, aquellas mismas fuerzas tienen un efecto mucho más grande sobre el insecto, ya que su masa es mucho menor que la masa del auto.

fuerzas en una colisión entre tu carro chocón y el de tu hermano. En ambas colisiones, los dos objetos (o personas) experimentan fuerzas iguales. Es la diferencia en las masas de los objetos o personas que hace que los efectos de las colisiones sean tan dramáticamente diferentes. Como el insecto es tan minúsculo, el efecto de la colisión con el parabrisas es lo suficientemente grande como para cambiar mucho su velocidad de forma repentina... tanto así que termina por explotar en el parabrisas. Pero nada tan terrible le sucede a tu hermano en el carro chocón cuando lo chocas. Tu masa y su masa no son muy diferentes, por lo que los efectos de las fuerzas iguales que produce tu colisión les afectan solo de manera un poco diferente.

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La bola de demolición D1

Una bola de demolición como esta puede derrumbar un edificio rápidamente.

La bola de demoliciónCuando un edificio se vuelve inseguro para que la gente lo use, o simplemente ya no es deseado, por lo general viene una compañía de demolición y demuele el edificio. Esto crea espacio para que el terreno tenga otro uso. Una manera de demoler un edificio es usando una bola de demolición, que es una bola de acero masiva que oscila desde una cadena agarrada a una alta grúa. Cuando la bola de demolición colisiona con un edificio, quiebra en pedazos las paredes del edificio. Un solo golpe de una bola de demolición puede destruir gran parte de un edificio.

Sin embargo, instalar una bola de demolición no es tan fácil. Ya que las bolas de demolición son tan masivas, moverlas de un lugar a otro puede ser difícil y caro. También hacen un desmán, lanzando polvo y pedazos de edificio por todas partes. ¿Entonces por qué las usamos?

En comparación a maneras más antiguas de demoler edificios, las bolas de demolición son rápidas y eficientes. (Antes de la invención de la bola de demolición en los 1800s, la gente solía demoler edificios ladrillo por ladrillo y tabla por tabla, lo que no era ni rápido ni eficiente en absoluto. Las bolas de demolición son usadas hoy con menos frecuencia que antes, pero aún son usadas para destruir algunos edificios).

¿Qué hace que las bolas de demolición sean tan buenas para hacer lo que hacen? Comparemos una bola de demolición con un yoyo. Un yoyo tiene la forma de una bola de demolición pero es muchísimo más pequeño y menos masivo. Digamos que haces oscilar el yoyo en contra del costado de un edificio, igual como una grúa oscilaría una bola de demolición. La colisión no tendría efectos muy notables ni sobre el edificio NI sobre el yoyo. El yoyo solo rebotaría contra la ¡C

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D2 La bola de demolición

Una bola de demolición oscilante tiene mucha energía cinética... lo suficiente como para derrumbar un edificio masivo.

pared, y la pared probablemente se quedaría tal como era. ¿Por qué una colisión con una bola de demolición derrumba una pared, pero no una colisión con un yoyo? La diferencia yace en el tamaño y la masa de la bola de demolición: Lo que la hace difícil de mover es exactamente lo que la hace buena para derrumbar cosas.

Llevar a cabo cualquier tipo de gran cambio físico, como destruir un objeto masivo, toma un montón de energía. Esto es particularmente cierto con los edificios. Como son grandes y tienen mucha masa, hacen falta fuerzas potentes para derrumbarlos. Las fuerzas producidas por una colisión con algo masivo, por ejemplo con una bola de demolición de 5,443 kilogramos (12,000 libras), son más potentes que las fuerzas producidas por una colisión con algo de forma similar pero con mucho menos masa, como un yoyo de 0.05 kilogramos (2 onzas). Esto es porque las fuerzas de colisión transfieren energía cinética,

o energía de movimiento, de un objeto a otro. La energía cinética transferida a la pared es lo que causa que la pared se destruya.

Mientras más energía cinética tiene un objeto, más energía puede transferir a otro objeto, y más potente será la fuerza de una colisión contra ese objeto. La energía cinética está relacionada a la masa de los objetos. A medida que la masa de un objeto crece, su energía cinética también crece. La energía cinética también está relacionada a la rapidez. Cuando la rapidez de un objeto se multiplica por dos,

¡obtiene cuatro veces la energía cinética! Sin embargo, una bola de demolición tiene tanta masa más que un yoyo, que el yoyo tendría que moverse MUY rápido para tener tanta energía cinética como una bola de demolición. La bola de demolición tiene suficiente energía cinética para derrumbar casi cualquier edificio, dejando espacio para algo nuevo.

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