Kugelstosspendel

Ein Kugelstosspendel (auch Kugelpendel, Newtonpendel oder Newton-Wiege) ist eine Anordnung von hintereinander aufgehängten Kugeln gleicher Masse und Pendellänge. Wenn man die am weitesten rechts liegende Kugel anhebt und gegen die andern prallen lässt, wird die am weitesten links liegende Kugel abgestossen. Hebt man zwei Kugeln an, fliegen auf der andern Seite zwei weg und so weiter. Hebt man mehr als die Hälfte der Kugel an, ist die Zahl der weggehenden Kugeln immer noch gleich der Zahl der aufprallenden. Die mittleren Kugeln gehören dann sowohl zu den aufprallenden als auch zu den abgestossenen. Im Extremfall ist anfänglich nur die Kugel ganz links in Ruhe und nach dem Stoss die ganz rechts positionierte

gängige Erklärung

Die im nebenstehenden Bild am weitesten links liegende, ruhende Kugel nimmt den Impuls der aufprallenden Kugel auf und gibt ihn an die rechts daneben liegende Kugel ab, jene dann an die nächste und so weiter. Die am weitesten rechts liegende Kugel kann allerdings keinen Impuls mehr weitergeben und wird abgestossen.

Bei diesem Vorgang handelt es sich um eine Abfolge von elastische Stössen, bei denen die kinetische Energie und der Impuls erhalten bleiben. Da beim Stoss keine weiteren Kräfte in Bewegungsrichtung wirken, muss der Impuls der [math]n_1[/math] Kugeln der Masse [math]m[/math], die mit der Geschwindigkeit [math]v_1[/math] von links auf die ruhenden Kugeln treffen, gleich dem Impuls der [math]n_2[/math] weg gestossenen Kugeln der Masse [math]m[/math] sein. Nimmt man weiterhin an, dass die angestossenen Kugeln sich kollektiv mit der Geschwindigkeit [math]v_2[/math] nach rechts bewegen, besagt die Impulserhaltung

[math]n_1\,m\,v_1 = n_2\,m\, v_2 \,.[/math]

Zudem muss die Energie vor und nach dem Stoss übereinstimmen

[math]n_1 \,m\,\frac{v_1^2}{2} = n_2\,m\, \frac{v_2^2}{2}\,. [/math]

Schreibt man dies als

[math] n_1 \,m\,v_1\,\frac{v_1}{2} = n_2\,m\,v_2\, \frac{v_2}{2}\,,[/math]

und berücksichtigt man die erste Gleichung, so sind, da [math]n_1 \,m\,v_1[/math] nicht Null ist, die beiden Geschwindigkeiten gleich gross [math]\left(v_1=v_2\,.\right)[/math] Dann folgt aus der Impulserhaltung (erste Gleichung) [math]n_1=n_2[/math], d.h. es fliegen so viele Kugeln weg wie auftreffen.

Federkette

Die gängige Erklärung basiert auf der Newtonschen Punktmechanik, d.h. Körper werden als Punkte oder manchmal auch als starre Körper angesehen. Weil der nicht rotierende starre Körper zu jedem Zeitpunkt überall gleich schnell ist, muss der Impuls unendlich schnell durch die Körper transportiert werden.

Im Rahmen der Punktmechanik kann das Kugelstosspendel nur als Abfolge von Masse und Feder modelliert werden. Diese Federkette zeigt aber eine frequenzabhängige Dispersion, die zeitliche und räumliche Verteilung des Impulses ändert sich beim Transport längs der Federkette.

Literatur

• F. Herrmann, P. Schmälzle: A simple explanation of a well-known collision experiment, Am. J. Phys. 49, 761 (1981)
• F. Herrmann, M. Seitz: How does the ball-chain work?, Am. J. Phys. 50, 977 (1982)