Warum springt die Gummikugel höher als die Glaskugel?

Für ein Lehramtsstudium haben wir folgendes Experiment gemacht:

Lassen Sie einen Gummi und eine Glaskugel von ca. gleiche Größe ab ca. gleicher Höhe auf Laminatboden.

Wie erwartet prallte die Gummikugel höher ab als die Glaskugel.

Unsere Erklärung: Der Gummiball ist effizienter darin, die kinetische Energie in Verformungsenergie und zurück umzuwandeln. So wandelt der Gummiball weniger Energie in Wärme um.

Doch der Versuch einer Überprüfung mit einer Wärmebildkamera zeigte leider etwas anderes: Während die Gummikugel einen großen Hitzefleck auf dem Tisch hinterließ, war die Markierung der Glaskugel kaum zu erkennen.

Der Dozent war sehr vage und entzog sich unserer Frage nach einer Erklärung.

Also meine Frage ist:

Was ist die richtige Erklärung dafür? Und warum erzeugt die Glaskugel nicht mindestens die gleiche Wärmemenge?

Bevor ich hier gepostet habe, habe ich dieses Problem gegoogelt und zu meiner Bestürzung folgenden Blogeintrag gefunden, der unserem Experiment widerspricht:

https://sciencenotes.org/why-a-glass-ball-bounces-higher-than-a-rubber-ball/

Hier ist ein Video zu youtube.com/watch?v=bX8d0YTPvcY
physicalforums.com/threads/… „Wenn der Ball härter als die Oberfläche ist, sind die Eigenschaften der Oberfläche für die Bestimmung der Abprallhöhe am wichtigsten, da sich die Oberfläche am meisten verformt. Wenn die Oberfläche härter ist als die Ball, das Gegenteil ist der Fall.
Wenn die Kugel und die Oberfläche die gleiche Härte haben, hängt dies von der Elastizität (Energieerhaltungseigenschaften) des Materials und der Größe der Spitzenkraft ab. Die meisten Materialien sind einigermaßen elastisch, wenn die Kraft unter einem kritischen Wert liegt, der "plastischen Grenze". Wenn die Kraft diese Grenze überschreitet, verliert das Objekt durch plastische Verformung erheblich Energie.“
Sie sagen, Sie haben Laminatboden auf einem Tisch, also hat das Setup einige Bereiche, in denen Energie aufgrund übermäßiger Bewegung verloren gehen kann. Die Glaskugel benötigt eine sehr harte und unbewegliche Oberfläche, um ihre beste Sprungkraft zu erzielen.

Antworten (3)

Da die Glaskugel steifer als der Laminatboden ist, verformt sie beim Auftreffen auf den Boden den Boden, verrichtet dadurch Arbeit auf dem Boden und entzieht der verfügbaren Energie, um die Kugel zurückzuprallen. Diese Arbeit geht verloren, da Laminatböden eine viskoelastische Hysterese aufweisen, die die Arbeit als Verformung auf kurzen Zeitskalen absorbiert, diese Arbeit dann aber auf viel längeren Zeitskalen freisetzt. Die Rückfederung des Laminatbodens setzt also erst ein, wenn die Glaskugel den Tatort verlassen hat.

Der Hauptgrund, warum der Gummiball in Ihrem Fall höher springt, ist der Laminatboden. Wenn Sie Marmor oder Granit hätten, würde die Glaskugel deutlich besser abprallen, sogar ein bisschen besser als das Gummi.

Auf dem Laminatboden kann der Gummiball seine Flexibilität ausspielen, Energie in seiner eigenen Verformung speichern und zum Aufprall nutzen.

Die Glaskugel hingegen kann sich nicht einmal stark verformen, da der Boden einen Großteil des Aufpralls abfängt. Ein guter Teil der Energie geht in die Verformung des Laminats. Höchstwahrscheinlich bleibt ein Teil der Verformung bestehen und es sollte mindestens eine kleine Markierung auf dem Boden vorhanden sein. Oft kann sich der Laminatboden als Ganzes bis zu einem gewissen Grad verbiegen und dabei noch mehr Energie aufnehmen.
Wenn Sie also ein schönes Aufprallen wünschen, müssen Sie ein Material finden, das sich nicht leicht durch den Aufprall des Glases verformt.

Die Gummikugel verformt sich im Vergleich zur Glaskugel sehr stark, sodass am Verformungsgipfel ein ziemlich großer Teil der Oberfläche den Boden berührt. Durch die Verformung entstehen Reibung und eine relativ große Adhäsionsfläche, die hauptsächlich für die Erwärmung verantwortlich sind.
Die Glaskugel hingegen berührt den Boden auf einer viel kleineren Fläche, daher gibt es sehr wenig Reibung und die meiste Energie wird durch die Verformung und den absorbierten Aufprall des Bodens verbraucht.

Außerdem hat die Glaskugel wahrscheinlich mehr KE in Lärm umgewandelt.

Es gibt eine Materialeigenschaft, die als Restitutionskoeffizient bezeichnet wird und sich aus der Relativgeschwindigkeit nach einer Kollision dividiert durch die Relativgeschwindigkeit vor der Kollision ergibt. Dieser Koeffizient wird oft mit e bezeichnet und stammt aus dem "Newton's Law of Restitution". Diese Zahl ist proportional zur Höhe eines Objekts, wenn es vom Boden abprallt, geteilt durch die Entfernung, aus der es fallen gelassen wurde.

e = j 1 j 0
w H e R e   j 1   =   M A X ich M u M   H e ich G H T   Ö F   B A l l   A F T e R   1 S T   B Ö u N C e   Ö F F   F l Ö Ö R
j 0 = H e ich G H T   F R Ö M   w H ich C H   B A l l   ich S   ich N ich T ich A l l j   D R Ö P P e D

Ein Ball mit einem Restitutionskoeffizienten = 1 kehrt zum Ausgangspunkt zurück, wenn er fallen gelassen wird. Ein harter Gummiball hat Raumtemperatur e 0,9 während eine Glaskugel e zwischen 0,65 und 0,7 hat. Daher springt der Gummiball höher. Es gibt Tabellen mit Werten von e im Internet und in der unten angegebenen Wikipedia-Referenz.

Einige nützliche Referenzen finden Sie hier , hier und hier .

Ich bin mir nicht sicher, warum das von Ihnen verlinkte Papier die umgekehrte Antwort hatte. Diese Referenz enthält Messungen für Kugeln aus unterschiedlichem Material und enthält eine Stahlkugel. Vielleicht wurde in der im verlinkten Artikel durchgeführten Studie ein sehr weicher Gummiball verwendet. Wenn alle Dinge gleich sind, springt ein harter Vollgummiball (denken Sie an einen Superball) viel höher als eine Stahl- oder Glaskugel.