hvorfor springer en gummibold tilbage, mens en jernkugle ikke gør det?

uanset om du underholder dig selv på en regnfuld eftermiddag ved at hoppe en bold ud af væggen eller se et spændende spil baseball, er vi alle blevet underholdt på utallige måder af dette banale sfæriske legetøj. Den mest underholdende af alle, imidlertid, kan hoppe en gummibold med en masse kraft og ser det careen i alle retninger. Desværre kan du ikke have næsten lige så meget sjov med en plast-eller metalkugle.

det rejser spørgsmålet, selvfølgelig, hvad gør en gummibold så speciel? Hvorfor er gummi bolde den ultimative hoppende legetøj? Der er to faktorer, der bidrager til bounciness; den ene er elasticiteten af det materiale, hvorfra bolden er lavet, og den anden er relateret til samspillet mellem den kraft, hvormed den hoppes, og den elasticitet.

Hvad Gør Gummi Elastisk?

elasticitet refererer til den beredskab/hurtighed, hvormed et materiale vender tilbage til sin oprindelige form efter at være komprimeret eller strakt. Gummi er lavet af lange sammenfiltrede strenge af kulstof fastgjort på forskellige punkter langs dens længde til andre strenge af kulstof. Som sådan har gummi meget stærke molekylære bindinger. De lange molekylære kæder af gummi kan fysisk rotere omkring de kemiske bindinger, der holder dem sammen, hvilket resulterer i egenskaben af fleksibilitet. Dette hjælper gummi til øjeblikkeligt at deformere sin form uden at bryde. Da de molekylære kæder er tværbundne, kan gummi hurtigt vende tilbage til sin oprindelige form efter deformation.

fysikken ved at falde

når et objekt løftes fra jorden og hæves til en bestemt højde, udføres der arbejde mod objektets vægt, som opbevares som potentiel gravitationsenergi. Når objektet – i dette tilfælde en gummikugle-frigives og falder til jorden, får tyngdekraften, der virker på bolden, det til at accelerere og omdanne potentiel energi til kinetisk energi. Lige før bolden kolliderer med overfladen, omdannes al den potentielle energi til kinetisk energi.

på molekylært niveau, når bolden kommer i kontakt med overfladen af jorden eller væggen, komprimeres eller klemmes kuglens molekylære tråde af den nedadgående kraft, der virker på den, kombineret med den opadgående kraft, der udøves af jorden. Bolden ændrer form fra en cirkel til en oval. Når bolden ændrer form, bliver kraften produceret af bindingerne, der holder de forskellige gummistrenge sammen, større.

ændringer efter påvirkning

ved påvirkning stopper bolden brat, men besidder stadig en stor mængde kinetisk energi. En vis mængde energi, som bolden indeholder, absorberes af overfladen, men de resterende skal gå et sted, så det opbevares som elastisk energi. Igen på molekylært niveau falder den nedadgående kraft på strengene, mens den kraft, der udøves af bindingerne, øges, hvilket resulterer i, at strengene genvinder deres oprindelige form. Det tager meget kort tid for bolden at komme til et fuldstændigt stop, hvorefter kuglens elastiske energi frigives, og bolden vedtager en kraft på jorden. Der er en lige og modsat kraft på bolden i opadgående retning, hvilket får den til at hoppe. Omdannelsen af elastisk energi til kinetisk får den til at stige mod jorden. Med andre ord, det hopper tilbage i luften!

i tilfælde af en plast-eller metalkugle er materialet ikke elastisk, selvom det har den samme mængde kinetisk energi. Overfladen, som bolden rammer, absorberer det meste af energien ved stød, og da materialet er ikke-elastisk, komprimeres eller omformes det ikke, hvilket ville give det den krævede mængde kraft til at stige (hoppe). Også overførslen af kinetisk energi til overfladen væggen vil føre til en dent eller et hul i væggen, da kraften ikke har andre steder at gå!

overfladen betyder også noget. Hvis den samme gummikugle hoppes ud af et tæppe, stiger den ikke eller hopper i samme højde som når den hoppes på fast grund. Den tid, det tager for bolden at komme til hvile, er længere på grund af tæppets komprimerbarhed, hvilket betyder, at mere kraft overføres til tæppet, hvilket efterlader mindre kraft til “bounce back”.

nu hvor du kender videnskaben om elasticitet, så prøv at hoppe et par ting væk fra dine vægge og se hvad der sker!