Co způsobuje, že se předmět odrazí zpět?

Přihlášením k odběru souhlasíte s našimi Podmínkami použití a Zásadami. Z odběru se můžete kdykoli odhlásit.

Všichni se můžeme ohlédnout za vzpomínkami na dětství a najít v nějaké formě nebo módě skákací míč. Ať už to bylo střílení obručí s přáteli nebo házení tenisovým míčkem o zeď, když jsme byli na zemi, všichni jsme si s těmito skákacími hračkami hráli.

Zatímco pro většinu lidí jsou míče spíše nenáročné předměty; vlastně slouží jako zajímavý odrazový můstek k poznávání mnoha zajímavých fyzikálních jevů. Zrychlení, rychlost, energie; to vše se můžete naučit, když se podíváte na fyziku za skákacími míčky.

Při každém odrazu míče existuje v podstatě sedm fází, do kterých lze akci rozdělit během jeho pohybu, před, během a po zkoumání dopadu.

• Fyzici vytvářejí uzavřenou kouli turbulence v nádrži
• Fyzici vytvářejí nový stav hmoty z krystalizovaných bosonů
• Doby ledové jsou spouštěny oběžnou dráhou Země a dokazují to 2 fyzikální koncepty

Pojďme rozebrat fyziku skákajících míčků.

Nejprve se podíváme na zjednodušených sedm fází odrazu míče, přičemž ignorujeme jakoukoli vnější sílu kromě gravitace. Každý krok níže podrobně rozebereme pomocí rovnic, ale pokud potřebujete hlubší vizuální stránku, níže uvedené video to také rozebere.

Fáze 1: Pád

Fáze jedna je prosbou o každý odraz míče, kde se potenciální energie z výšky míče přeměňuje na kinetickou energii prostřednictvím zrychlení v důsledku gravitace. Ve zjednodušeném případě míč padá v souladu s gravitační silou, která vždy směřuje přímo dolů. Na Zemi je toto gravitační zrychlení 9.8 m/s2 (g= 9.8 m/s2). To v podstatě znamená, že s každou sekundou pádu se rychlost míče zrychlí o 9.8 m/s.

Fáze 2: Počáteční kontakt

Počáteční kontaktní fáze je právě to; když se míček sotva dotkne povrchu země. Bude nadále klesat vlivem gravitačního zrychlení, ale nyní na míč bude působit normálová síla z povrchu země, která působí proti síle způsobené gravitací. Fáze 3: Zpomalení/záporné zrychlení.

Po prvotním dopadu míč rychle zpomalí nebo spíše zrychlí v negativním směru. Rychlost míče stále směřuje dolů, když se deformuje, ale zrychlení na míči začíná směřovat nahoru, protože síly z reakce překonávají gravitaci. To vše znamená, že míč tlačí na zem silou větší, než je jeho vlastní hmotnost, takže zrychlení musí směřovat nahoru.

Fáze 4: Maximální deformace

Po fázi zpomalení dosáhla koule maximální deformace. Rychlost je v tomto bodě nulová a vektor zrychlení směřuje nahoru. Toto je nejnižší bod koule, stejně jako její maximální deformovaný bod. Pokud předpokládáme, že míč je zcela elastický a ignorujeme další energetické ztráty, jako je zvuk a teplo, míč by se po tomto bodě odrazil zpět do své původní výšky pádu.

Fáze 5: Počáteční odraz

Tato fáze začíná cestu míče zpět tam, kde začala. Jeho vektory rychlosti a zrychlení směřují stejným směrem, což znamená pohyb vzhůru. Kulička je méně deformovaná než stupeň maximální deformace a díky své pružnosti nyní tlačí na povrch silou větší než je její vlastní hmotnost. To způsobí, že se míček odrazí nahoru.

Fáze 6: Odskok nulového kontaktu

Míč se již nedeformuje při nulovém kontaktním odrazu a téměř se nedotýká povrchu, v podstatě pouze v jednom bodě. Rychlost pohybuje míčem nahoru, ale v tomto bodě se zrychlení přepne do protikladu k vektoru rychlosti.

Je to proto, že již žádná síla z elasticity míče tlačí na povrch, což mu dává zrychlení směrem nahoru. Zrychlení způsobené gravitací tahem dolů bude nyní jedinou silou působící na míč v dokonalém systému.

Fáze 7: Úplný odraz

Při plném odrazu míč opustil povrch a jeho vektor rychlosti stále směřuje nahoru, i když se neustále zmenšuje v důsledku zrychlení nebo zpomalení v důsledku gravitace. Po tomto kroku bude koule vrcholit v novém kroku, kde je její vektor rychlosti nulový a gravitace je jedinou silou, která na ni působí.

Přidány proměnné a speciální případy ve fyzice skákajících míčků

Případ skákajícího míče výše byl zjednodušen, aby se odstranily další síly, jako je odpor vzduchu, nedokonalá elasticita, rotace, tření a síla z počátečního hodu, mimo jiné. To vše znamená, že fyzika skákajících míčků se odsud komplikuje.

Když se koule nějak točí, jak to obvykle dělají, když jsou vrženy, a když povrch, na který dopadnou, není bez tření, rotace koule se obrátí z doby před dopadem po dopadu. To je způsobeno silou tření. Za předpokladu 2-rozměrů pro teorii můžete pozorovat reakci níže.

Když míč narazí na rotaci v jednom směru, třecí síla F působí proti rotaci míče. Nebo spíše, třecí síla je vždy proti směru rychlosti prokluzu mezi rotující koulí a povrchem. Vzhledem k tomu, že třecí síla je opačná než rotace koule, točí kouli v opačném směru. To také způsobí, že se dráha odrazu míče zkosí ve směru třecí síly. Zjednodušeně řečeno, když se koule točí jedním směrem, když narazí na zeď, tření mezi koulí a stěnou překoná rotaci natolik, že obrátí směr otáčení.

Toto obrácení rotace nenastane, pokud koule a koeficient tření stěny nejsou dostatečně vysoké. Koeficient tření se liší podle materiálu a povrchu a je to v podstatě číslo, které udává, jak přilnavý je povrch nebo materiál.

V reálných neideálních scénářích skákající míče ztrácejí energii a nakonec se zastaví. To vše je způsobeno silami, které jsme v prvním příkladu ignorovali. Když míč narazí na zeď nebo povrch, vydává hluk, ztrátu energie z odrazu. Bude také generovat určité množství tepla, další ztrátu energie. Tření o stěnu způsobí ztrátu energie a odpor vzduchu při pohybu míče.