Warum bleibt eine Blitzkugel stehen?

Dies ist eine großartige Frage, die meiner Meinung nach jeder Erklärung rollender Objekte folgt. Hoffentlich hilft diese Webseite.

http://www.lhup.edu/~dsimanek/scenario/rolling.htm

Ich werde es weiter unten erklären, beginnend mit einer kurzen Zusammenfassung der Reibung.

Reibung

Reibung ist definiert als eine Kraft, die einem Rutschen oder Gleiten zwischen zwei Oberflächen entgegenwirkt. Wenn Sie eine Tasche voller Geld schleppen:

Sie werden feststellen, dass es schwer ist. Warum? Da ist nur Papier und du ziehst senkrecht zur Schwerkraft, also sollte es keine Kraft geben, gegen die du kämpfst. Nun, wir wissen aus physikalischer Erfahrung, dass es eine Kraft namens Reibung gibt:

Auf der Erdoberfläche gibt die Schwerkraft ihr Bestes, um Objekte nach unten zu drücken. Und wenn Objekte, die nicht perfekt glatt sind, zusammengeschoben werden, werden all ihre kleinen Unebenheiten und Löcher ebenfalls zusammengeschoben, und Sie werden so etwas wie das Bild oben haben. Um das grüne Objekt zu bewegen, müssen Sie alle diese Kontaktpunkte umgehen. Wie hart dies sein wird, hängt von der Rauheit des Objekts (dem Reibungskoeffizienten, µ) und davon ab, wie stark die asymmetrischen Oberflächen zusammengepresst werden.$mg$.

Die Realität ist, dass es keine perfekt glatten Oberflächen gibt, und selbst wenn, würden Sie immer noch eine gewisse Reibung durch intermolekulare Kräfte erfahren, da die Kontaktobjekte beide aus Atomen bestehen.

Das Wichtigste, das Sie beachten sollten, ist, dass Reibung dem Gleiten zwischen zwei Oberflächen entgegenwirkt und dass es keinen realistischen Kontakt gibt, wo dieser nicht vorhanden ist.

Perfekt rollende Objekte

Wenden wir diese Definition nun auf ein rollendes Objekt an. Eine perfekte Kugel berührt nur an einem Punkt. Und wir haben gesagt, es gibt immer Reibung zwischen zwei Kontaktflächen. Um sich also mit Reibung zu bewegen, gehen wir von der natürlichen Annahme aus, dass eine Kugel rutschen oder gleiten muss.

Wenn wir uns diesen einzelnen Kontaktpunkt jedoch genauer ansehen, sehen wir sofort, dass dies nicht der Fall ist. Denn wenn sich die Kugel überhaupt vorwärts bewegt, auch nur ein kleines Stück, dreht sich dieser Kontaktpunkt vom Boden weg und es gibt einen neuen Kontaktpunkt. Ein rollender Gegenstand hat nie länger als den Bruchteil einer Sekunde Kontakt mit dem Boden. Wenn es also kein Gleiten gibt (keine zwei Oberflächen kämpfen ständig gegeneinander), dann schließen wir daraus, dass es keine Reibung geben darf.

Hier scheint es einen Widerspruch zu geben. Zwei Oberflächen bewegen sich relativ zueinander, erfahren aber nicht die traditionelle Definition von Reibung.

Um dies zu erklären, nehmen wir noch eine Hypothese, bevor wir zur Realität dieser Situation kommen.

Stellen Sie sich einen Bleistift vor, der auf seiner Spitze balanciert. Wenn Sie auf den Massenmittelpunkt drücken, etwa auf halber Höhe des Bleistifts, fällt der Bleistift nach vorne und dreht sich im Wesentlichen um seine Spitze.

Stellen Sie sich nun vor, dies würde sich im Weltraum wiederholen. Nicht einmal im Weltraum, sondern in der oberen Atmosphäre des Planeten Erde. Die Schwerkraft ist immer noch vorhanden und zieht auf die gleiche Weise am Bleistift. Der einzige Unterschied besteht darin, dass es keine Oberfläche gibt, auf der der Stift balancieren kann. Wenn Sie das Experiment wiederholen und auf den Massenmittelpunkt drücken, würde sich der Bleistift einfach vorwärts bewegen. Es würde sich nicht drehen. Die Dinge drehen sich nicht, wenn kein Drehmoment vorhanden ist.

Wo ist also das Drehmoment, das den Stift auf der Erde vorwärts rotieren lässt? Es kommt vom Kontaktpunkt mit der Oberfläche, von der Reibung. Wenn Sie auf den Schwerpunkt drücken, gibt es eine gleiche Widerstandskraft an der Spitze vom Kontakt. Es entsteht nun ein Drehmoment und der Stift dreht sich um den Fixpunkt, die Spitze. Sobald es beginnt, die Schwerkraft zu drehen, hilft es mit zusätzlichem Drehmoment nach unten am Massenmittelpunkt.

Wir haben jetzt also ein Beispiel, wenn Reibung bewirkt, dass sich ein Objekt bewegt, ohne dass ein Gleiten zwischen den Oberflächen stattfindet.

Die Realität der perfekten Kugel ist, dass sie aus unendlich vielen Bleistiftspitzen besteht. Wenn eine Kraft auf die Kugel ausgeübt wird, widersetzt sich der einzelne Kontaktpunkt einer Bewegung und der Rest der Kugel beginnt sich um diesen Punkt zu bewegen. Aber sobald die Bewegung beginnt, gibt es einen neuen Kontaktpunkt, und das Drehmoment der Schwerkraft und die Vorwärtsbewegung bewirken, dass sich die Kugel um diesen neuen Punkt dreht. Die Kugel fällt ständig über sich selbst. Hoffentlich hilft dieses Bild zur Veranschaulichung:

Die Realität ist, dass das Rollen durch Reibung verursacht wird , wenn auch auf einzigartige Weise. Das Rollen würde nicht stattfinden, ohne dass diese sofortigen Kontaktpunkte der Bewegung widerstehen.

Wenn ein rollender Gegenstand keine Reibung hätte, würde er überhaupt nicht rollen. Es würde nur übersetzen. Aber das ist nie der Fall, weil es immer Reibung gibt. Bei einem rollenden Objekt führt die Reibung dazu, dass das Objekt ständig umkippt.

Wir haben also ein weit verbreitetes Missverständnis über die Natur des Rollens identifiziert, aber Ihre Frage bleibt bestehen, ob ein Objekt für immer rollen könnte.

Perpetuum mobile

Wir haben uns eine perfekte Sphäre mit einem Kontaktpunkt angesehen. Es gibt keinen offensichtlichen Grund, warum ein rollender Körper in diesem Fall auf jeden Fall stoppen sollte. Aber, wie wir besprochen haben, sind glatte starre Objekte eine Idealisierung. In Wirklichkeit werden sowohl der Körper als auch die Oberfläche durch die Anwesenheit des anderen leicht deformiert.

Unabhängig davon, ob sich das Objekt oder die Oberfläche verformt, es gibt jetzt mehr als einen Kontaktpunkt. Die Normalkraft dieser Kontaktpunkte ist nicht alle auf den Kugelmittelpunkt ausgerichtet, wie dies bei einem einzelnen Kontaktpunkt der Fall war. Wenn ein Objekt vorwärts rollt, drückt es gegen diese neuen Kontaktpunkte. Da diese Reaktionskräfte außermittig sind, entsteht nun ein Drehmoment entgegen der Bewegungsrichtung der Kugel. Im Laufe der Zeit wird dies die Kugel zum Stillstand bringen.

Da alle Objekte aus Atomen bestehen, gibt es keinen Fall, in dem diese Verformung nicht auftritt. Kein Objekt in diesem Szenario wird für immer rollen. Auch ohne Deformation gibt es quantenmechanische Gründe, warum die Objekte langsamer werden würden, wie Simanek in seinem Artikel erklärt.