FYSIKbasen.dk - Den danske database for pædagogiske undervisningsforsøg til fysiklærere
Forside Nyheder Forsøg Om siden Kontakt English
Gå en side tilbageUdskriv dette forsøgForetag ny søgning

rød pilVertikal kollision

Forsøg nr.: 59
Formål: At demonstrere impulsbevarelse i kollisioner. Kan for eksempel anvendes på supernovaeksplosioner.
Resume: En tennisbold placeres oven på en basketball eller en fodbold. De to bolde slippes fra stor højde. Når de rammer jorden overføres en stor impuls til tennisbolden, som flyver meget højt op.
Nøgleord: Astronomi, stjerner, acceleration, impuls, impulsbevarelse, kollisioner, mekanik, Newtons Love.

Beskrivelse:

En lille, let bold balanceres oven på en stor tung bold. I praksis kan man anvende en tennisbold oven på en basketball. Dette er nok den bedste kombination, men man kan også bruge en tennisbold og en fodbold eller en bordtennisbold oven på en billardkugle.

Kollision mellem to bolde af forskellig størrelse
To bolde placeres oven på hinanden og slippes ned på gulvet. Den mindste bold modtager en stor impuls og flyver efterfølgende højt til vejrs. Kan også laves med en bordtennisbold og en billardkugle.

Det to bolde slippes fra stor højde, og når boldene rammer jorden, overføres en stor impuls til den øverste kugle, der flyver højt op i luften.

Tennisbold balanceres oven på basketball
Tennisbold balanceres oven på basketball. Når systemet slippes, vil det lave en "vertikal kollision", der sender tennisbolden op i stor højde. Se filmen i referencerne.

Bordtennisbold oven på billardkugle
Bordtennisbold oven på billardkugle. I dette tilfælde bruges et meget lille stykke dobbeltklæbende tape til at holde bordtennisbolden fast med.

Forsøget kan også laves med flere kugler. Man kan for eksempel købe en såkaldt "AstroBlaster", der består af en pind med 4 elastiske kugler i forskellig størrelse, hvoraf den øverste kan flyve helt af pinden. Når disse kugler slippes i lodret position, vil den øverste kugle kunne flyve mange meter op i luften.

Billede af AstroBlaster
Billede af AstroBlaster, der kan opnå højder på omkring 5 gange udgangshøjden.

Regner man teoretisk på systemet (se referencer), så kan man vise, at for perfekt elastiske kugler, hvor den lille kugles masse er forsvindende i forhold til den store, vil den øverste kugle nå op i en højde, der er 9 gange større end udgangshøjden. Bruger man i stedet 3 kugler, kan man teoretisk nå op i 49 gange så stor en højde! Helt præcist vil hastigheden for den lille kugle lige efter kollisionen være:

Ligning
Sluthastighed for et ideelt system.

Højden bestemmes så af den kinetiske energi, der jo går som hastigheden i anden. I praksis går der selvfølgelig energi tabt i kollisionen samt til luftmodstand, men man kan sagtens opnå en betydeligt større højde, end den kuglerne blev sluppet fra.

Det er desuden muligt at tilpasse masserne på kuglerne, så alle kugler - på nær den øverste - ligger helt stille efter kollisionen. Har man n kugler, skal to på hinanden følgende kugler have et masseforhold på:

Ligning
Dimensionering af boldenes masser, så alle kugler - på nær den øverste - ligger stille efter kollisionen.

Efter kollisionen ligger alle kugler så stille, bortset fra den øverste, der har fået en hastighed på n gange hastigheden før kollisionen.

En AstroBlaster kan for øvrigt bruges til at demonstrere en supernova eksplosion. Når en stor stjerne brænder ud, vil trykket fra stjernens centrum pludseligt ophøre, hvilket får stjernen til at kollapse (AstroBlasteren slippes). Dette får trykket til at stige dramatisk, og gennem en yderst kompliceret proces eksploderer stjernen og sender sine yderste dele ud i rummet (AstroBlasterens øverste kugle flyver af). Bemærk dog at fysikken og dynamikken i en supernova stadig er et aktivt forskningsområde, og detaljerne i processen kendes endnu ikke. En supernovaeksplosion skal altså ikke opfattes som en simpel impulsbevarelsereaktion!

Udstyr og materialer:

grøn pil Tennisbold og basketball (eller fodbold)
grøn pil Bordtennisbold og billardkugle
grøn pil "Astro-Blaster Multiple Collision Accelerator"

Referencer:

grøn pilLink til forsøg i database på University of Minnesota.
grøn pilLink til forsøg i database på Wake Forest University.
grøn pilLink til forsøg i database på University of Iowa.
grøn pilW.R. Mellen: "Superball rebound projectiles", Am. J. Phys. 36, 845 (1968).
grøn pilClass of William G. Harter: "Velocity amplification in collision experiments involving superballs", Am. J. Phys. 39, 656 (1971).
grøn pilJ.D. Kerwin: "Velocity, momentum, and energy transmission in chain collisions", Am. J. Phys. 40, 1152 (1972).
grøn pilJ. Walker: "The Amateur Scientist", Scientific American. 259, 116 (oktober 1988).
grøn pilI. Bruce: "A one-dimensional collision experiment", Am. J. Phys. 58, 696 (1990).
grøn pilQuick Time film af AstroBlaster, der slippes fra få centimeters højde (1,00 MB).
grøn pilQuick Time film af tennisbold på basketball (782 KB).
grøn pilG: Stroink: "Superball problem", The Physics Teacher 21, 466 (1983). (Teoretisk introduktion til kollision med to bolde.) (http://scitation.aip.org/tpt)
grøn pilR.A. Egler: "Supernova core bounce: A demonstration", The Physics Teacher 28, 558 (1990). (http://scitation.aip.org/tpt)
grøn pilJ.S. Huebner and T.L. Smith: "Multi-ball collisions", The Physics Teacher 30, 46 (1992). (http://scitation.aip.org/tpt)
grøn pilW.R. Mellen: "Aligner for elastic collisions of dropped balls", The Physics Teacher 33, 56 (1995). (Metode til at holde boldene stablet under faldet via tråd.) (http://scitation.aip.org/tpt)
grøn pilR.V. Mancuso and K.R. Long: "The Astro-Blaster", The Physics Teacher 33, 358 (1995). (http://scitation.aip.org/tpt)

PIRA DCS: 1N30.60 (Mekanik: Lineær impuls) Hvad er PIRA DCS?

Opdateret: 11.04.2005