MBA: Gás simples

De Física Computacional
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Colisão entre partículas

Considerando um modelo simples de gás ideal, não há força atuando sob as partículas, então a interação que ocorre entre as partículas se dá apenas por meio de colisões. Assim é necessário calcular a variação na velocidade de cada partícula após a colisão. Começando em uma dimensão, precisamos garantir a conservação do momento: m1v1′+m2v2′=m1v1″+m2v2″E da energia cinética: 12m1v1'2+12m2v2'2=12m1v1′'2+12m2v2′'2Colocando o referencial de forma que v2′=0, então as velocidades no novo referencial podem ser escritas como ui=vi−v2′, de forma que da conservação do momento ficamos com: u1″=u1′−m2m1u2″,(1) Elevando ao quadrado: u1′'2=u1'2−(m2m1)2u2′'2−2m2m1u1′u2″ Substituindo na equação de conservação de energia, podemos encontrar u2″: m1u1'2=m1u1′'2+m2u2′'2m1u1'2=m1[u1′2+(m2m1)2u2′'2−2m2m1u1′u2″]+m2u2′'2m1u1'2=m1u1′2+m22m1u2′'2−2m2u1′u2″+m2u2′'20=(m22m1+m2)u2′'2+(−2m2u1′)u2″0=(m2+m1m1)u2′'2+(−2u1′)u2″ Calculando as raízes do segundo grau, temos: u2″=2u1′±4u1'22(m2+m1m1)=m1m2+m1(u1′±u1′)E como uma solução é u2′=0, mas queremos a situação em que u2′≠0, logo: u2″=2m1m2+m1u1′Substituindo em (1), temos: u1″=u1′−m2m1(2m1m2+m1u1′)u1″=(1−2m2m2+m1)u1u1″=(m2+m1−2m2m2+m1)u1 Ou seja: u1″=m1−m2m2+m1u1′Retornando ao referencial original, sendo vi=ui+v2′, temos então para v1′: u1″=m1−m2m2+m1u1′v1″−v2′=m1−m2m2+m1(v1′−v2′)v1″=m1−m2m2+m1v1′+(1−m1−m2m2+m1)v2′v1″=m1−m2m2+m1v1′+2m2m2+m1v2′E de maneira análoga para v2′: u2″=2m1m2+m1u1′v2″−v2′=2m1m2+m1(v1′−v2′)v2″=2m1m2+m1v1′+(1−2m1m2+m1)v2′v2″=2m1m2+m1v1′+m2−m1m2+m1v2′Um caso especial ocorre se m1=m2,(2) então temos simplesmente: v1″=v2′,ev2″=v1′Em duas dimensões, podemos reduzir o problema a uma dimensão, considerando que toda a alteração na velocidade devido a colisão entre partículas ocorre apenas na componente paralela a reta que liga o centro das duas esferas. Considerando que a posição de cada partícula é dada por r→i, então um vetor entre as partículas pode ser escrito como d→=r→2−r→1. Podemos projetar ambas as velocidades então fazendo: ui′=v→i⋅d→|d→|=v→i⋅d^Obtemos o módulo da velocidade da partícula i na direção d→ e podemos trabalhar em uma única dimensão para encontrarmos a velocidade de ambas partículas após a colisão nesta dimensão. Ao fim podemos decompor novamente a velocidade final ui″ em ambos os eixos mantendo a mesma direção utilizando θ=arctan⁡(ΔyΔx), onde Δz=z2−z1 é a diferença entre a posição das partículas 2 e 1 na componente z.

Além disso vale lembrar que há a componente da velocidade perpendicular a d→, que vamos denotar como w→i=v→i−ui′(cos⁡θ,sin⁡θ). Esta componente perpendicular permanece inalterada e pode ser visualizada na figura ao lado.

Colisão entre duas partículas mostrando explicitamente os vetores relacionados à partícula 1.
Colisão entre duas partículas mostrando explicitamente os vetores relacionados à partícula 1.

Sendo assim, a velocidade final é dada por: v→i(f)=(ui″cos⁡θ,ui″sin⁡θ)+w→iv→i(f)=ui″(cos⁡θ,sin⁡θ)+v→i−ui′(cos⁡θ,sin⁡θ)v→i(f)=v→i+(ui″−ui′)(cos⁡θ,sin⁡θ)v→i(f)=v→i(f)=v→i+(ui″−ui′)a→Onde a→ é um vetor unitário que nos dá a direção entre os centros das partículas. Utilizando ad identidades: cos⁡(arctan⁡(x))=11+x2,sin⁡(arctan⁡(x))=x1+x2 ficamos então com: a→=(cos⁡θ,sin⁡θ)a→=(cos⁡arctan⁡(ΔyΔx),sin⁡arctan⁡(ΔyΔx))a→=(11+(ΔyΔx)2,(ΔyΔx)1+(ΔyΔx)2)a→=1Δx11+(ΔyΔx)2(Δx,Δy)a→=1ΔxΔx1Δx2+Δy2(Δx,Δy)Logo: a→=(Δx,Δy)Δx2+Δy2 E uma vez que d→=r→2−r→1=(x2−x1,y2−y1)=(Δx,Δy), então a→=d→/|d|=d^. Logo: v→i(f)=v→i+(ui″−ui′)d^Ou ainda mais explícito, se fizermos m1=m2, sendo as partículas i e j, onde i≠j, usando (2): v→i(f)=v→i+(uj′−ui′)d^v→i(f)=v→i+(v→j⋅d^−v→i⋅d^)d^ Temos então que: v→i(f)=v→i+[(v→j−v→i)⋅d^]d^Todo o cálculo exibido foi para uma partícula, para a segunda partícula, o cálculo é análogo.

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