Warum springt die Gummikugel zurück, die Eisenkugel jedoch nicht?

Angenommen, es gibt zwei Kugeln, eine aus Gummi und die andere aus Metall. Sie haben die gleiche Masse und werden mit der gleichen Geschwindigkeit gegen eine Wand geschleudert. Warum springt ein Gummiball zurück, während ein Metallball nach dem Aufprall auf die Wand einfach herunterfällt? Ich weiß, dass es etwas mit der Änderung des linearen Impulses und seiner Elastizität zu tun hat, aber was?

Antworten (4)

Wenn Sie anstelle einer Wand ein Glasfenster verwenden, werden Sie feststellen, dass die Gummi- und Eisenkugeln ähnlich stark abprallen (aber seien Sie vorsichtig, wenn Sie Eisenkugeln auf Fenster werfen :-).

Es ist ein Grundprinzip der Physik, dass Energie nicht verloren gehen kann. Der Gummiball startet mit kinetischer Energie, trifft auf die Wand und prallt mit etwa der gleichen kinetischen Energie zurück. Es geht also keine Energie verloren. Wenn die Eisenkugel nicht abprallt, muss dies bedeuten, dass die Energie, die sie ursprünglich hatte, auf die Wand übertragen wurde.

Gummibälle sind weich, bremsen also relativ langsam ab und verformen und spreizen sich beim Auftreffen auf die Wand. Das bedeutet, dass der Druck, den sie beim Springen auf die Wand ausüben, relativ gering ist. Im Gegensatz dazu ist eine Eisenkugel sehr hart, so dass sie sehr plötzlich stoppt und die gesamte Kraft, die sie auf die Wand ausübt, auf eine kleine Fläche konzentriert ist. Das heißt, der Druck ist hoch genug, um die Wand zu beschädigen. Es kann eine sichtbare Delle oder einfach nur Risse in der Wand verursachen, die Sie nicht sehen können. In beiden Fällen wird Energie verbraucht, um die Wand zu beschädigen, und diese Energie kommt von der Bewegung des Balls. Das bedeutet, dass der Eisenkugel nur wenig Energie zum Zurückprallen bleibt.

Ich begann damit, dass die Eisenkugel von Glas abprallen würde. Das liegt daran, dass Flachglas sehr steif ist und solange Sie es nicht zerbrechen, wird das Glas durch die Eisenkugel nicht beschädigt. Da das Glas keine Energie aufnimmt, prallt die Eisenkugel genauso zurück wie die Gummikugel.

Okay, was wäre, wenn es eine Metallkugel statt einer Eisenkugel wäre?
Mein Buch sagt, dass dies geschieht, weil der Gummiball eine größere Änderung des linearen Impulses erleidet.
@shauryagupta: Die wichtige Eigenschaft ist die Steifigkeit und Dichte der Kugel, also wären Stahl, Nickel oder Metall Eisen ziemlich ähnlich. Glas- oder Hartplastikkugeln haben eine ähnliche Steifigkeit, wiegen aber weniger, sodass sie die Wand weniger beschädigen und stärker abprallen würden. Der lineare Impuls ist einfach die Masse des Balls mal seiner Geschwindigkeit. Das endgültige Momentum ist das Ergebnis der Physik des Aufpralls, nicht dessen Ursache.
Sie wiegen nicht weniger, ich erwähnte, dass die Masse gleich bleibt!
@shauryagupta Ihr Buch ist entweder falsch oder Sie lesen es falsch. Der Gummiball erfährt eine größere Änderung des linearen Impulses, weil seine Endgeschwindigkeit größer ist als die des Eisenballs und weil diese Geschwindigkeit eine entgegengesetzte Richtung hat (unter der Annahme, dass keine seitlichen Komponenten vorhanden sind). Umgekehrt ist es nicht.
Stellen Sie sich vor, die Wand wäre aus Glas, die überhaupt nicht betroffen wäre. Sowohl die Eisenkugel als auch die Gummikugel prallen zurück. Aber es wird einen Unterschied in ihren Pfaden nach dem Aufprall geben, wenn man bedenkt, dass sie vor dem Aufprall auf die Wand den gleichen Schwung hatten ... z. B. wie in diesem Video gezeigt: [link] youtube.com/watch?v=bX8d0YTPvcY
@shauryagupta: Dieses Video sieht aus wie ein CGI-Rendering, kein echtes Experiment
Laut YouTube-Seite handelt es sich um eine Animation. Jetzt können wir die gesamte Roadrunner-Coyote-Physik beweisen!
Abgesehen von Schäden, die die Kugeln verlangsamen, kann Energie in der Oberfläche und den Kugeln auch in Wärme umgewandelt werden. Mit welchen Gleichungen kann ich diesen Energieverlust bei nichtelastischen Stößen modellieren?

Denn für das „Rückprallen“ muss sowohl der Ball als auch die Wand reversibel verformt werden.

Beim Gummiball wird der Ball elastisch verformt und die Wand nicht; das ist alles reversibel.

Bei der Metallkugel wird die Kugel meistens nicht verformt, aber die Wand wird wegen des lokalisierteren Aufpralls irgendwie zerkratzt (da die Kugel nicht bereit ist, ihre Form zu ändern); dies frisst die kinetische Energie des Balls auf.

Verwenden Sie eine Eisenkugel an einer Eisenwand, Sie werden einen nahezu perfekten Sprung bemerken!

Ich habe gerade verwendet, aber in Anbetracht dessen, dass die Geschwindigkeit niedrig genug ist, damit der Gummiball abprallt, aber nicht für den Metallball ...
Die Geschwindigkeit steht weniger in Frage als die Fähigkeit der Wand, sich zu verformen und zurückzuprallen, während sie die gesamte ursprüngliche Energie zurückgibt
Was ist, wenn die Wand überhaupt nicht zerkratzt wird?
Nun, in diesem Fall bedeutet dies, dass entweder der Ball selbst zerkratzt wird oder zurückprallt. Beachten Sie jedoch, dass selbst sehr kleine Kratzer oder Unebenheiten zu einem erheblichen Energieverlust führen.
Aber wie würden Sie den Sprung eines Gummiballs und des Metallballs vergleichen, wenn man bedenkt, dass der Impuls vor dem Aufprall gleich ist ...
Sie sind sich eigentlich ziemlich ähnlich. In beiden Fällen wird die kinetische Energie des ankommenden Balls als elastische (=reversible) Verformung des Balls gespeichert. Der Unterschied zwischen Gummi und Stahl besteht darin, dass die Größe der Verformung, die erforderlich ist, um die gesamte Anfangsenergie zu speichern, bei Stahl viel geringer ist (der Elastizitätsmodul von Stahl ist etwa 10 ^ 4-mal höher).

Denn ein Gummi (oder wie in diesem Bild ein Golfball) kann sich verformen, ohne auseinander zu brechen. Die größere Verformung speichert mehr Energie im Gummiball als der Eisenball.

Mikroskopisch gesehen besteht der Gummiball aus einem Polymer und ist sehr plastisch (elastisch/verformbar) im Vergleich zum Eisenball, der eine ziemlich homogene Kristallstruktur (hochgeordnet) hat, was sich in einer geringen Elastizität niederschlägt.

Und wie hilft diese Elastizität beim Springen?
In der Lage zu sein, die Energie zu verformen und zu speichern und dann von der Oberfläche zurückzudrücken (Änderung des Impulses impliziert eine auf den Ball ausgeübte Kraft), um abzuprallen.

Dies liegt daran, dass der Gummiball weniger Elastizität hat, wodurch der Eisenball beim Aufprall auf die Wand einen großen Impuls ausübt, sodass er stärker abprallt als der Eisenball

Warum springt die Gummikugel zurück, die Eisenkugel jedoch nicht?
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