From Stick to Bounce — the Coefficient of Restitution

Mechanik Mittel Kostenlos VR · AR
From Stick to Bounce — the Coefficient of Restitution – Mechanik
From Stick to Bounce — the Coefficient of Restitution – Mechanik

Zwei gleich große Kugeln liegen in einer geraden Rille auf einem Labortisch. Kugel A gleitet ohne zu rollen von links auf Kugel B zu, die ruhen, A entgegengleiten oder vor ihr herlaufen kann. Fünf Schieberegler stellen die beiden Massen, die beiden Geschwindigkeiten und die Stoßzahl e ein und mit e das Material der Kugeln: stumpfe Knetmasse bei e = 0, Gummi in der Mitte, polierter Stahl bei e = 1. Pfeile zeigen die Geschwindigkeit jeder Kugel, eine Klammer vor der Rille zeigt, wie schnell sich die Lücke zwischen ihnen schließt und wieder öffnet, und ein Diagramm verfolgt, wie viel kinetische Energie bei jedem Wert von e verloren geht. Drücken Sie auf Abspielen, und der Stoß läuft einmal ab, achtmal langsamer als in Wirklichkeit und mit den Tempotasten noch langsamer; die Zeitleiste führt zu jedem beliebigen Moment zurück.

So benutzt du diese Simulation

Worauf du achten solltest

Die Physik dahinter

Nach rechts ist positiv. Der Impulserhaltungssatz allein reicht nicht für zwei unbekannte Geschwindigkeiten, deshalb kommt eine zweite Gleichung hinzu, die Stoßzahlgleichung v′A − v′B = −e(vA − vB): Die Kugeln nähern sich mit vA − vB und trennen sich mit dem e-Fachen davon. Mit den Startwerten (1,0 kg mit +4,0 m/s gegen 1,5 kg in Ruhe, e = 0,25) ergibt sie zusammen mit 1,0 × 4,0 = 1,0 v′A + 1,5 v′B die Werte v′A = +1,0 m/s und v′B = +2,0 m/s. Die kinetische Energie fällt von 8,0 J auf 0,5 + 3,0 = 3,5 J, es gehen also 4,5 J verloren. Im Modell speichern die zusammengedrückten Kugeln die gesamte relative kinetische Energie ½μ(vA − vB)² mit μ = mA mB/(mA + mB) und geben davon nur den Anteil e² zurück, sodass der Verlust ½μ(vA − vB)²(1 − e²) beträgt: 4,8 J bei e = 0, wenn die Knetkugeln aneinander haften und mit 1,6 m/s weitergleiten, und nichts bei e = 1, wenn A mit 0,80 m/s zurückprallt und B mit 3,2 m/s davongleitet. Massen und Geschwindigkeiten bestimmen, wie viel Energie verloren gehen kann; e allein bestimmt den verlorenen Anteil. Der Impuls ist bei jeder Einstellung vorher und nachher gleich, und ist A nicht schneller als B, schließt sich die Lücke nie und es gibt keinen Stoß.

coefficient of restitutionelastic collisioninelastic collisionmomentumkinetic energyv′A − v′B = −e(vA − vB)3D