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Was ist die Physik hinter springenden Bällen?

Das Studium der Mechanik des Springens von Bällen ist eine großartige Möglichkeit, einfache Physik zu lernen.

Wir können alle auf unsere Kindheitserinnerungen zurückblicken und in irgendeiner Form oder Weise a finden springender Ball . Ob wir mit Freunden Reifen schießen oder einen Tennisball gegen die Wand werfen, während wir am Boden waren, wir haben alle mit diesen springenden Spielzeugen gespielt.

Während Bälle für die meisten Menschen eher bescheidene Objekte sind, dienen sie tatsächlich als interessantes Sprungbrett, um viele interessante physikalische Phänomene kennenzulernen. Beschleunigung, Geschwindigkeit, Energie; Sie können alles lernen, wenn Sie sich die Physik hinter springenden Bällen ansehen.

Bei jedem Ballsprung gibt es im Wesentlichen sieben Stufen, in die die Aktion während ihrer Bewegung, vor, während und nach der Untersuchung des Aufpralls unterteilt werden kann.

Lassen Sie uns die Physik des Springens von Bällen aufschlüsseln.

Zunächst betrachten wir die vereinfachten sieben Stufen eines Ballsprungs, wobei jede andere äußere Kraft als die Schwerkraft ignoriert wird. Wir werden jeden Schritt im Detail mit Gleichungen aufschlüsseln. Wenn Sie jedoch ein tieferes Bild benötigen, sehen Sie sich das folgende Video anwird das auch aufschlüsseln.

Stufe 1: Fallen

Stufe eins ist das Betteln jedes Ballsprungs, bei dem potentielle Energie aus der Höhe des Balls durch Erdbeschleunigung in kinetische Energie umgewandelt wird. In einem vereinfachten Fall fällt der Ball in Übereinstimmung mit der Schwerkraft, die immer zeigtdirekt nach unten. Auf der Erde beträgt diese Erdbeschleunigung 9,8 m / s. 2 g = 9,8 m / s 2 .Dies bedeutet im Wesentlichen, dass sich die Geschwindigkeit des Balls für jede Sekunde beim Fallen um 9,8 m / s beschleunigt.

Stufe 2: Erstkontakt

Die anfängliche Kontaktphase ist genau das; wenn der Ball gerade noch Kontakt mit der Bodenoberfläche hat. Er wird weiterhin unter dem Einfluss der Gravitationsbeschleunigung fallen, aber jetzt eine Normalkraft von der Bodenoberfläche, die der Kraft aufgrund entgegenwirktSchwerkraft, wirkt auf den Ball. Stufe 3: Verzögerung / negative Beschleunigung.

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Nach dem ersten Aufprall bremst der Ball schnell ab oder beschleunigt eher in eine negative Richtung. Die Geschwindigkeit des Balls zeigt immer noch nach unten, wenn er sich verformt, aber die Beschleunigung des Balls beginnt nach oben zu zeigen, wenn die Kräfte der Reaktion die Schwerkraft überwindenDies alles bedeutet, dass der Ball mit einer Kraft auf den Boden drückt, die größer als sein eigenes Gewicht ist, sodass die Beschleunigung nach oben zeigen muss.

Stufe 4: Maximale Verformung

Nach der Verzögerungsstufe hat der Ball die maximale Verformung erreicht. Zu diesem Zeitpunkt ist die Geschwindigkeit Null und der Beschleunigungsvektor zeigt nach oben. Dies ist der niedrigste Punkt des Balls sowie sein maximaler Verformungspunkt. Wenn wir annehmenWenn der Ball vollständig elastisch ist und andere Energieverluste wie Schall und Wärme ignoriert, springt der Ball nach diesem Punkt wieder auf seine ursprüngliche Fallhöhe zurück.

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Quelle: Headbomb / Wikimedia

Stufe 5: Erster Rückprall

Diese Phase beginnt die Reise des Balls dorthin, wo er begonnen hat. Seine Geschwindigkeits- und Beschleunigungsvektoren zeigen in dieselbe Richtung, was eine Aufwärtsbewegung bedeutet. Der Ball ist weniger deformiert als die maximale Deformationsphase und drückt aufgrund seiner Elastizität jetztmit einer Kraft gegen die Oberfläche, die größer ist als das eigene Gewicht. Dadurch springt der Ball nach oben.

Stufe 6: Rückprall ohne Kontakt

Beim Rückprall ohne Kontakt wird der Ball nicht mehr verformt und berührt die Oberfläche kaum noch, im Wesentlichen nur an einem Punkt. Die Geschwindigkeit bewegt den Ball nach oben, aber an diesem Punkt schaltet die Beschleunigung gegen den Geschwindigkeitsvektor.

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Dies liegt daran, dass die Elastizität des auf die Oberfläche drückenden Balls keine Kraft mehr ausübt, wodurch er nach oben beschleunigt wird. Die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft, die nach unten zieht, ist jetzt die einzige Kraft, die perfekt auf den Ball wirktSystem.

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Stufe 7: Voller Rückprall

Bei vollem Rückprall hat der Ball die Oberfläche verlassen und sein Geschwindigkeitsvektor zeigt immer noch nach oben, obwohl er aufgrund der Beschleunigung oder Verzögerung aufgrund der Schwerkraft stetig schrumpft. Nach diesem Schritt erreicht der Ball bei einem neuen Schritt die Spitzesein Geschwindigkeitsvektor ist Null und die einzige Kraft, die auf ihn wirkt, ist die Schwerkraft.

Variablen und Sonderfälle in der Sprungballphysik hinzugefügt

Der Fall des springenden Balls oben wurde vereinfacht, um andere Kräfte wie Luftwiderstand, unvollständige Elastizität, Spin, Reibung und die Kraft unter anderem aus einem anfänglichen Wurf zu entfernen. All dies bedeutet, dass die Physik des springenden Balls von hier aus komplizierter wird.

Wenn Bälle einen Spin haben, wie es normalerweise beim Werfen der Fall ist, und wenn die Oberfläche, auf die sie treffen, nicht reibungsfrei ist, kehrt sich der Spin des Balls von vor bis nach dem Aufprall um. Dies ist auf die Reibungskraft zurückzuführen. Angenommen, 2-Aus theoretischen Gründen können Sie die folgende Reaktion beobachten.

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Wenn der Ball mit einem Spin in eine Richtung aufprallt, wirkt die Reibungskraft F dem Spin des Balls entgegen. Oder vielmehr ist die Reibungskraft immer entgegengesetzt zur Richtung der Schlupfgeschwindigkeit zwischen dem sich drehenden Ball und der Oberfläche. Seit der ReibungDie Kraft ist der Drehung des Balls entgegengesetzt und dreht den Ball in die andere Richtung. Außerdem wird der Pfad des Ballsprungs in Richtung der Reibungskraft verschoben. Vereinfacht ausgedrückt, wenn sich ein Ball beim Schlagen in eine Richtung drehtBei einer Wand überwindet die Reibung zwischen der Kugel und der Wand den Spin so sehr, dass sie ihre Spinrichtung umkehrt.

Diese Spinumkehr tritt nicht auf, wenn die Kugel und der Reibungskoeffizient der Wand nicht hoch genug sind. Der Reibungskoeffizient variiert je nach Material und Oberfläche und ist im Wesentlichen eine Zahl, die angibt, wie griffig eine Oberfläche oder ein Material ist.

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In realen, nicht idealen Szenarien verlieren springende Bälle Energie und kommen schließlich zum Stillstand. Dies ist alles auf die Kräfte zurückzuführen, die wir im ersten Beispiel ignoriert haben. Wenn ein Ball auf eine Wand oder Oberfläche trifft, macht er ein Geräusch, das ein Geräusch machtist ein Energieverlust durch das Abprallen des Balls. Es wird auch eine gewisse Wärmemenge erzeugt, ein weiterer Energieverlust. Reibung von der Wand verursacht Energieverlust sowie Luftwiderstand, während sich der Ball bewegt. Im Wesentlichen wird der Ball niemals habenje nach Szenario so viel potentielle oder kinetische Energie wie unmittelbar nach dem Werfen oder kurz vor dem Auftreffen auf eine Oberfläche.

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