Newtons Wiege: Impuls- und Energieübertragung
1 · Vorhersagen
Wenn Sie den ersten Ball auf eine Abwurfhöhe h zurückziehen und ihn in die Reihe schwingen lassen, was bestimmt dann, wie schnell der letzte Ball herausfliegt?
- Der entfernte Ball verlässt den Ball mit etwa der gleichen Geschwindigkeit, die der erste Ball beim Aufprall hatte.
- Der entfernte Ball geht langsamer weg, da die mittleren Bälle einen Teil der Bewegung absorbieren.
- Der entfernte Ball verlässt den Ball schneller als die Aufprallgeschwindigkeit des ersten Balls.
2 · Aufbauen
- Öffnen Sie die Preset „Newton's Cradle“ in der Sandbox.
- Ziehen Sie den Ball ganz links nach außen und oben, um eine Auslösehöhe festzulegen, und lesen Sie dann ab, wie hoch er über seinem Ruhepunkt sitzt.
- Lassen Sie den Ball los und lassen Sie ihn in die Reihe der sich berührenden Bälle hinunterschwingen. Beobachten Sie, welche Bälle auf der anderen Seite herausfliegen und wie hoch sie schwingen.
3 · Daten sammeln
| Kugelmasse (kg) | Freigabehöhe (m) | PE freigeben (J) | Ausgangsgeschwindigkeit des entfernten Balls (m/s) |
|---|---|---|---|
| 1.00 | 0.30 | ||
| 1.00 | 0.50 | ||
| 1.00 | 0.70 |
Zeichnen Sie für Ihre drei Versuche die Austrittsgeschwindigkeit des entfernten Balls (y-Achse) gegen die Abwurfhöhe (x-Achse) auf. Ist die Beziehung eine gerade Linie?
4 · Auswerten
- Berechnen Sie für jede Reihe den Release PE (mgh) und den Impact KE, den der erste Ball haben sollte, kurz bevor er das Ende seines Schwungs erreicht (½mv², unter Verwendung Ihrer gemessenen FarSpeed für v). Wie vergleichen sich die beiden Energien?
- Erklären Sie anhand der Erhaltung von Impuls und kinetischer Energie für eine Kette gleicher Massen, warum der entfernte Ball mit (ungefähr) der Aufprallgeschwindigkeit des ersten Balls abfliegt, während sich die Bälle dazwischen kaum bewegen.
5 · Vertiefen
- Warum bewegen sich die mittleren Kugeln kaum, obwohl der Stoßimpuls durch jede einzelne von ihnen geht?
- Schwingt der entfernte Ball im Sandkasten jemals genau so hoch wie Ihre Abwurfhöhe? Was sagt Ihnen die Lücke (falls vorhanden) darüber, wie elastisch die Kollisionen wirklich sind?
Die Physik hinter diesem Experiment
Gravitative potenzielle Energie
Der zurückgezogene Ball speichert Energie in Höhe seines Gewichts multipliziert mit der Höhe, die Sie ihn über seinen Ruhepunkt angehoben haben – das ist es, was die gesamte Kettenreaktion antreibt, sobald er losgelassen wird.
Kinetische Energie
Wenn der losgelassene Ball nach unten schwingt, wandelt sich sein gespeichertes PE in KE um; Unten ist zu sehen, dass dieser KE durch die Kollisionskette fast vollständig an den entfernten Ball weitergegeben wird.