Perché una palla di gomma rimbalza mentre una palla di ferro no?

Che tu ti diverta in un pomeriggio piovoso facendo rimbalzare una palla dal muro o guardando un’emozionante partita di baseball, siamo stati tutti intrattenuti in innumerevoli modi da questo banale giocattolo sferico. Il più divertente di tutti, tuttavia, può essere rimbalzare una palla di gomma con molta forza e guardarla careen in tutte le direzioni. Purtroppo, non si può avere quasi tanto divertimento con una sfera di plastica o di metallo.

Questo pone la domanda, ovviamente, cosa rende una palla di gomma così speciale? Perché le palle di gomma sono i migliori giocattoli rimbalzanti? Ci sono due fattori che contribuiscono al rimbalzo; uno è l’elasticità del materiale di cui è fatta la palla e l’altro è legato all’interazione tra la forza con cui viene rimbalzata e quell’elasticità.

Cosa rende la gomma elastica?

L’elasticità si riferisce alla prontezza/rapidità con cui un materiale ritorna alla sua forma originale dopo essere stato compresso o allungato. La gomma è fatta di lunghe corde aggrovigliate di carbonio attaccate in punti diversi lungo la sua lunghezza ad altre corde di carbonio. Come tale, la gomma ha legami molecolari molto forti. Le lunghe catene molecolari della gomma possono ruotare fisicamente attorno ai legami chimici che le tengono insieme, il che si traduce nella proprietà della flessibilità. Questo aiuta la gomma a deformare momentaneamente la sua forma senza rompersi. Poiché le catene molecolari sono reticolate, la gomma può rapidamente tornare alla sua forma originale dopo la deformazione.

La fisica della caduta

Ogni volta che un oggetto viene sollevato da terra e sollevato ad una certa altezza, il lavoro viene fatto contro il peso dell’oggetto, che viene memorizzato come potenziale energia gravitazionale. Quando l’oggetto – in questo caso una palla di gomma – viene rilasciato e cade a terra, la forza di gravità che agisce sulla palla lo fa accelerare, convertendo l’energia potenziale in energia cinetica. Poco prima che la palla collida con la superficie, tutta l’energia potenziale viene convertita in energia cinetica.

A livello molecolare, quando la palla entra in contatto con la superficie del terreno o della parete, i fili molecolari della palla vengono compressi o schiacciati dalla forza verso il basso che agisce su di essa, unita alla forza verso l’alto esercitata dal terreno. La palla cambia forma da un cerchio a un ovale. Man mano che la palla cambia forma, la forza prodotta dai legami, che tengono insieme i diversi fili di gomma, diventa più grande.

Cambiamenti dopo l’impatto

Al momento dell’impatto, la palla si ferma bruscamente, ma possiede ancora una grande quantità di energia cinetica. Una certa quantità di energia che la palla contiene viene assorbita dalla superficie, ma la restante deve andare da qualche parte, quindi viene immagazzinata come energia elastica. Sempre a livello molecolare, la forza verso il basso sui trefoli diminuisce, mentre la forza esercitata dai legami aumenta, il che si traduce nel recupero dei trefoli nella loro forma originale. Ci vuole un tempo molto breve per la palla a venire a un arresto completo, dopo di che l’energia elastica della palla viene rilasciato e la palla mette in atto una forza sul terreno. C’è una forza uguale e opposta sulla palla nella direzione verso l’alto (Terza Legge di Newton), che la fa rimbalzare. La conversione dell’energia elastica in cinetica la fa salire contro il terreno. In altre parole, rimbalza in aria!

Nel caso di una sfera di plastica o di metallo, il materiale non è elastico, sebbene abbia la stessa quantità di energia cinetica. La superficie che la palla colpisce assorbirà la maggior parte dell’energia al momento dell’impatto e poiché il materiale non è elastico, non sarà compresso o rimodellato, il che gli darebbe la quantità necessaria di forza per salire (rimbalzo). Inoltre, il trasferimento di energia cinetica alla superficie del muro porterà a un’ammaccatura o un buco nel muro, poiché la forza non ha nessun altro posto dove andare!

Anche la superficie è importante. Se la stessa palla di gomma viene rimbalzata da un tappeto, non salirà o rimbalzerà alla stessa altezza di quando è rimbalzata su un terreno solido. Il tempo necessario per la palla a venire a riposo è più lungo, a causa della comprimibilità del tappeto, il che significa che più forza viene trasferita al tappeto, lasciando così meno forza per il “rimbalzo”.

Ora che conosci la scienza dell’elasticità, prova a far rimbalzare alcune cose dalle tue pareti e vedi cosa succede!