varför studsar en gummiboll tillbaka medan en Järnboll inte gör det?

oavsett om du underhåller dig på en regnig eftermiddag genom att studsa en boll från väggen eller titta på ett spännande basebollspel, har vi alla underhållits på otaliga sätt av denna banala sfäriska leksak. Det roligaste av allt kan dock studsa en gummiboll med mycket kraft och titta på den i alla riktningar. Tyvärr kan du inte ha nästan lika kul med en plast-eller metallboll.

det väcker frågan, naturligtvis, vad gör en gummiboll så speciell? Varför är gummibollar de ultimata studsande leksakerna? Det finns två faktorer som bidrar till bounciness; en är elasticiteten hos materialet ur vilket bollen är gjord och den andra är relaterad till interaktionen mellan den kraft vid vilken den studsas och den elasticiteten.

Vad Gör Gummi Elastiskt?

elasticitet avser den beredskap / snabbhet med vilken ett material återgår till sin ursprungliga form efter att ha komprimerats eller sträckts. Gummi är gjord av långa trassliga strängar av kol fäst vid olika punkter längs dess längd till andra strängar av kol. Som sådan har Gummi mycket starka molekylära bindningar. De långa molekylära kedjorna av gummi kan fysiskt rotera runt de kemiska bindningarna som håller dem ihop, vilket resulterar i flexibilitetens egenskap. Detta hjälper Gummi att tillfälligt deformera sin form utan att bryta. Eftersom molekylkedjorna är tvärbundna kan Gummi snabbt återgå till sin ursprungliga form efter deformation.

fysiken att falla

när ett objekt lyfts från marken och höjs till en viss höjd, görs arbete mot objektets vikt, som lagras som potentiell gravitationsenergi. När objektet – i detta fall en gummiboll-släpps och faller till marken, får tyngdkraften som verkar på bollen att accelerera och omvandlar potentiell energi till kinetisk energi. Strax innan bollen kolliderar med ytan omvandlas all potentiell energi till kinetisk energi.

på molekylär nivå, när bollen kommer i kontakt med markens eller väggens yta, komprimeras eller kläms bollens molekylsträngar av den nedåtgående kraften som verkar på den, i kombination med den uppåtgående kraften som utövas av marken. Bollen ändrar form från en cirkel till en oval. När bollen ändrar form blir kraften som produceras av bindningarna, som håller de olika gummisträngarna ihop, större.

förändringar efter påverkan

vid påverkan stannar bollen plötsligt, men har fortfarande en stor mängd kinetisk energi. En viss mängd energi som bollen innehåller absorberas av ytan, men resten måste gå någonstans, så den lagras som elastisk energi. Återigen på molekylär nivå minskar den nedåtgående kraften på strängarna, medan kraften som utövas av bindningarna ökar, vilket resulterar i att strängarna återfår sin ursprungliga form. Det tar mycket kort tid för bollen att komma till ett fullständigt stopp, varefter bollens elastiska energi släpps och bollen antar en kraft på marken. Det finns en lika och motsatt kraft på bollen i uppåtriktningen (Newtons tredje lag), vilket gör att den studsar. Omvandlingen av elastisk energi till kinetisk gör att den stiger mot marken. Med andra ord, det studsar tillbaka i luften!

vid en plast-eller metallkula är materialet inte elastiskt, även om det har samma mängd kinetisk energi. Ytan som bollen träffar kommer att absorbera det mesta av energin vid påverkan och eftersom materialet inte är elastiskt kommer det inte att komprimeras eller omformas, vilket skulle ge den den nödvändiga mängden kraft att stiga (studsa). Dessutom kommer överföringen av kinetisk energi till ytan väggen leda till en buckla eller ett hål i väggen, eftersom kraften har ingen annanstans att gå!

ytan spelar också roll. Om samma gummiboll studsas av en matta kommer den inte att stiga eller studsa till samma höjd som när den studsas på fast mark. Den tid det tar för bollen att vila är längre på grund av mattans kompressibilitet, vilket innebär att mer kraft överförs till mattan, vilket ger mindre kraft för ”studsa tillbaka”.

nu när du känner till elasticitetsvetenskapen, försök studsa några saker från dina väggar och se vad som händer!