Impuls
Phänomen
Ein Körper kann sich nur in Bewegung setzen, indem er Impuls mit einem zweiten System austauscht. Fährt also ein Motorrad, ein Auto oder ein ganzer Güterzug an, muss der Motor über die Drehbewegung der Räder Impuls der Erde entnehmen und ins Fahrzeug hinein pumpen. Beim Bremsen fliesst dieser Impuls wieder an die Erde zurück. Prallt ein Auto gegen eine Mauer, strömt der Impuls schlagartig über die Frontpartie an die Mauer weg. Der Impulsstrom wird dann so stark, dass er sogar massive Metallteile bleibend verformen kann. Beim Nageln, Hämmern oder Boxen sind starke Impulsströme erwünscht, um das Material zu verformen oder dem Gegner Schaden zuzufügen. Impuls könnte man also auch als Bewegungsmenge oder als Wucht bezeichnen.
Prallen zwei Autos frontal auteinander, scheint sich der Impuls in Schall und Rauch aufzulösen. Dieses oberflächliche Bild ist falsch. Mit der Wahl einer positiven Bewegungsrichtung ordnet man dem einen Auto einen Überschuss (Geschwindigkeit grösser als Null) und dem andern einen Mangel (Geschwindigkeit kleiner als Null) an Impuls zu. Bei der Kollision füllt dann das eine Auto mit seinem Überschuss den Mangel des andern aus. Auch bei diesem Vorgang verformen die starken Impulsströme die Frontpartien der beiden Fahrzeuge. Solche Stossprozesse können mit Hilfe des Flüssigkeitsbildes veranschaulicht werden.
Ein grundlegender Satz der Physik besagt, dass es zu jeder der drei Raumrichtungen je eine "Impulssorte" gibt. Etwas präziser formuliert ist der Impuls eine vektorwertige Menge, die mit Hilfe eines Koordinatensystems in drei getrennt zu bilanzierende Komponenten aufgespalten werden kann. So kann ein Auto seine Bewegungsrichtung nur um 90° ändern, indem es bei der Kurvenfahrt die eine Sorte (Komponente) gegen die andere austauscht. Weil der maximale Impulsstrom (Haftreibungskraft) durch die Beschaffenheit der Pneus und der Stasse begrenzt ist, muss die Kurve einen minimalen Radius aufweisen, damit genügend Zeit für den Impulsaustausch zur Verfügung steht.
Theorie
Der Impuls ist die bilanzierfähige Primärgrösse der Translationsmechanik. Weil der Impulsinhalt eines Körpers gleich Masse mal Geschwindigkeit des Massenmittelpunktes ist, transformiert sich der Impulsinhalt wie eine Länge, d.h. der Impuls ist eine vektorwertige Grösse. Der Impuls wird in Newtonsekunde (Ns; 1 Ns = 1 kgm/s) gemessen. Als Formelzeichen verwenden wir p oder (px, py, pz).
Der Impuls spaltet bezüglich eines raumfesten Koordinatensystems (Weltsystem) in drei Komponenten auf. Jede dieser drei Komponenten darf als eigenständige Menge bilanziert werden. Untersucht man nun Bewegungen längs einer Geraden, tritt nur eine Komponente in Erscheinung. Im Gegensatz zur Masse und analog zur elektrischen Ladung kann der Impulsinhalt eines Körpers kleiner als Null werden. Der Körper, der sich gegen die entsprechende Koordinate des Weltsystems bewegt (v<0), besitzt dann eine Schuld, die nur durch Zufuhr von Impuls ausgeglichen werden kann.
Fliesst der Impuls leitungsartig durch einen Festkörper hindurch, reagiert dieser mit einer entsprechenden Verformung. Folglich können leitunsartige Impulsströme mit einer Federwaage gemessen werden. Ein Körper kann auch mit dem Graviationsfeld Impuls austauschen. In diesem Fall fliesst der Impuls nicht über die Oberfläche sondern quellenförmig ins Innere des Körpers hinein. Die Stärke eines Impulsstromes oder einer Impulsquelle bezüglich eines ausgewählten Körpers (System) nennt man Kraft. Die Impulsbilanz verknüpft die leitungsartigen und die konvektiven Impulsströme, sowie die Impulsquellen mit der Inhaltsänderung. Weil er Impuls unter allen Umständen erhalten bleibt, gibt es keine Impulsproduktionsrate.
Bezüglich der Raum-Zeit bildet der Impuls den räumlichen Teil des Masse-Impuls-Vektors.
Beispiele
- zu Stossvorgängen: Auflaufstoss, zwei Bälle
- zu Impuls und Gravitation:
- zu Impuls als Vektor: