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Rätsel des Alltags

Warum springen Bälle?

Springbälle

Bälle springen - das weiß jedes Kind. Aber warum ist das eigentlich so?

Bälle springen - egal ob Fuß- oder Tennisbälle. Der Grund dafür liegt in der Impuls- und Energieerhaltung. Der Impuls beschreibt den Zustand einer bewegten Masse, zum Beispiel eines Balls. Er ergibt sich aus der Masse des Balls, die mit ihrer Geschwindigkeit multipliziert wird. Anhand eines Billardtisches lässt sich die Impuls- und Energieerhaltung verdeutlichen.

 

Beispiel Billardkugeln

Mit etwas Abstand voneinander liegen zwei Billardkugeln auf dem Spieltisch. Wir nennen sie Kugel A und B. Beide haben die gleiche Masse. Ein Spieler schießt Kugel A auf die Mitte von Kugel B. Beim Zusammenprall bleibt Kugel A im Idealfall, wenn man Drehbewegungen vernachlässigt, an Ort und Stelle liegen. Kugel B rollt mit der gleichen Geschwindigkeit, die Kugel A vor dem Aufprall hatte, weiter. Der Impuls und die Energie von Kugel A wurden an Kugel B weitergegeben.

 

Der Kleinere gibt nach

Nun ersetzen wir Kugel B durch eine Kanonenkugel. Der Spieler schießt Kugel A genau auf ihre Mitte. Die Kanonenkugel rührt sich nicht wahrnehmbar, und die Billardkugel springt zurück. Warum? Beim Zusammenstoß elastischer Körper wird die Bewegungsenergie durch die elastische Verformung aufgenommen und sofort wieder abgegeben.

 

Energie zu Energie

Die Verformung dient, sofern sie elastisch ist, als Speicher für die Bewegungsenergie. Sie wird dabei, wie bei einer gespannten Feder, in so genannte potenzielle Energie umgewandelt. Wegen der Elastizität geht die Verformung wieder zurück und die potenzielle Energie wird wieder in Bewegungsenergie zurückverwandelt. Die Billardkugel springt nun von der Kanonenkugel weg, die sich wegen ihrer großen Masse kaum rührt.

 

Der doppelte Impuls

Beim Zusammenstoß wurde auch der Impuls auf die Kanonenkugel übertragen. Da die Billardkugel nun zurückspringt und ihr Impuls ein Vektor, eine gerichtete physikalische Größe ist, erhält er ein negatives Vorzeichen. Wegen der Erhaltung des Gesamtimpulses erhält die Kanonenkugel die Differenz, den doppelten Impuls. Durch die große Masse der Kanonenkugel, bleibt ihre Geschwindigkeit trotz des zweifachen Impulses sehr gering. Wird ein Ball zu Boden oder gegen eine Wand geschlagen, trifft er auch in diesen Fällen auf eine vielfach größere Masse, und der Ball springt zurück.

 

Eisen springt wie ein Ball

Je geringer die nicht elastische Verformung, desto besser springt ein Ball. Das funktioniert umso besser, je fester Ball, Boden und Wand sind. Auf Schlamm springt ein Ball nicht, weil der Stoß des Balls den Schlamm verformt. Der Impuls wird an die Erde abgegeben und die Bewegungsenergie verbraucht, um den Schlamm zu verformen. So springt auch eine auf einen Rasen geworfene Eisenkugel nicht gut, denn sie verformt den Boden. Lässt man sie jedoch auf eine Stahlplatte fallen, wird sie springen wie ein Ball.

Dr. Alexander Stahr
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