Springender Ball: Energieverlust beim Aufprall
1 · Vorhersagen
Wenn ein Ball fallen gelassen wird und vom Boden abprallt, springt er dann auf die gleiche Höhe zurück, aus der er fallen gelassen wurde, eine höhere Höhe oder eine niedrigere Höhe?
- Es prallt auf die gleiche Höhe zurück (es geht keine Energie verloren).
- Es prallt höher als die Fallhöhe zurück.
- Der Rückprall erfolgt tiefer als die Fallhöhe (ein Teil der Energie geht verloren).
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie die Preset „Hüpfender Ball“. Beachten Sie die Starthöhe des Balls über dem Boden und seine Masse.
- Vergewissern Sie sich, dass die Höhensonde am Ball befestigt ist – sie zeigt die Höhe des Balls über dem Boden in Metern an.
- Führen Sie die Simulation durch und lassen Sie den Ball fallen und hüpfen. Halten Sie am oberen Ende des ersten Rückpralls an und notieren Sie die erreichte Spitzenhöhe.
3 · Daten sammeln
| Messe (kg) | Fallhöhe (m) | Gravitations-PE (J) | Rückprallhöhe (1. Sprung) (m) |
|---|---|---|---|
| 1.00 | 1.50 | ||
| 1.00 | 2.00 | ||
| 1.50 | 2.50 |
Stellen Sie für Ihre drei Versuche die Rückprallhöhe (y-Achse) im Vergleich zur Fallhöhe (x-Achse) grafisch dar. Beschreiben Sie die Form der Linie.
4 · Auswerten
- Teilen Sie für jede Reihe die Rückprallhöhe durch die Fallhöhe. Was ist Ihnen an diesem Verhältnis in Ihren drei Versuchen aufgefallen?
- Die Rückgabe des Balls ist 0.8. Quadrieren Sie diesen Wert und vergleichen Sie ihn mit dem oben berechneten Verhältnis. Welchen Zusammenhang finden Sie?
5 · Vertiefen
- Wenn das Höhenverhältnis, das Sie gefunden haben, Sprung für Sprung konstant bleibt, sagen Sie die Spitzenhöhe des *zweiten* Rückpralls für Ihren ersten Versuch voraus. Wie viele Sprünge würde es brauchen, bis die Spitzenhöhe unter 1 cm fällt?
- Ein echter fallengelassener Ball verliert außerdem bei jedem Aufprall ein wenig Energie durch Luftwiderstand und Geräusche. Würden Sie erwarten, dass die Rücksprunghöhe eines echten Balls schneller oder langsamer abfällt als das idealisierte e²-Muster, das Sie hier gefunden haben?
Die Physik hinter diesem Experiment
Gravitative potenzielle Energie
Die in der Höhe des Balls über dem Boden kurz vor dem Abwurf gespeicherte Energie – das ist das Energiebudget, das zur Verfügung steht, um beim Fall in kinetische Energie und nach dem Absprung wieder in die Höhe umgewandelt zu werden.
Kinetische Energie
Die Energie der Ballbewegung. Kurz vor dem Aufprall hat sich praktisch das gesamte PE des Tropfens in KE umgewandelt; Der Rückprall gibt dann nur einen Bruchteil dieses KE zurück, weshalb der Rückprall unter der Fallhöhe liegt.