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Stöße und Impulserhaltung

SchulversuchMechanikKlasse 10Fortgeschritten

Worum geht es?

Der p=m⋅vp = m \cdot v ist die Wucht-Größe der Mechanik, und sie gehorcht einem Erhaltungssatz: In einem abgeschlossenen System bleibt die Impulssumme bei jedem Stoß erhalten, egal wie chaotisch es kracht. Der Versuch prüft das auf der Fahrbahn in beiden Grundformen: elastisch (Federpuffer, die Wagen trennen sich) und unelastisch (Klettverschluss, die Wagen verhaken sich), und vergleicht dabei auch die Energiebilanz beider Stoßarten.

Warum macht man dieses Experiment?

Die ist neben der Energieerhaltung der zweite große Erhaltungssatz der Mechanik: Sie rekonstruiert Verkehrsunfälle, erklärt Rückstoß und Raketen und regiert jede Teilchenkollision der Hochenergiephysik. Ihr Charme: Sie gilt auch da, wo mechanische verloren geht. Gerade der zerstörerische unelastische Stoß ist ihr bester Zeuge.

Die physikalische Idee

Zwei Wagen bekannter stoßen auf der reibungsarmen Bahn; davor und danach werden über Lichtschranken (oder Videoanalyse) gemessen. Für jede Stoßart wird die Impulssumme vorher/nachher verglichen: Erhaltung heißt Gleichheit. Die kinetische wird mitbilanziert: erhalten beim elastischen, teilweise „verschwunden“ beim unelastischen Stoß.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Die Stoßgesetze klärten Huygens, Wallis und Wren um 1669 im Wettstreit der Royal Society, noch vor Newtons Principia; Newton machte die dann zum Rückgrat seiner Mechanik. Moderne Beschleuniger werten bis heute nichts anderes aus als Impulsbilanzen von Stößen.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Impulserhaltung allgemein

Prüfe die jenseits der Spezialfälle, mit ungleichen und im Explosions-Fall (zwei ruhende Wagen mit gespannter Feder): Auch aus Impuls null entstehen nur Paare mit Impulssumme null.

Gemessen

  • — Geschwindigkeiten (mit Vorzeichen) (in )

    Vorzeichen sind jetzt wesentlich: Beim Explosions-Fall laufen die Wagen entgegengesetzt.

Bekannt

  • — Massen (in )

    Jetzt bewusst ungleich (1,0 und 0,5 kg): der allgemeine Fall.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Der allgemeine Impulssatz: Er gilt für Stöße wie für Trennungen, mit Vorzeichen.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

(a) Unelastischer Stoß ungleicher : 1,0 kg mit 0,30 m/s auf ruhende 0,5 kg. (b) Explosions-Fall: Beide Wagen ruhen aneinander, die gespannte Feder wird ausgelöst; miss beide . Prüfe jeweils die Impulssumme.

2Vorbetrachtung

Fall (a) verallgemeinert die Halbierung: v′=m1v1m1+m2=1,0⋅0,301,5=0,20 m/sv' = \tfrac{m_1 v_1}{m_1+m_2} = \tfrac{1{,}0 \cdot 0{,}30}{1{,}5} = 0{,}20\ \mathrm{m/s}, also zwei Drittel des Anfangstempos, weil der Stoßer doppelt so schwer ist.

Fall (b) ist der eigentliche Härtetest des Satzes: Vorher ist der Gesamtimpuls null (alles ruht). Nachher bewegen sich beide Wagen, aber ihre Impulssumme muss null bleiben: m1v1′=−m2v2′m_1 v_1' = -m_2 v_2', der schwere Wagen also halb so schnell wie der leichte, in Gegenrichtung. Ein Erhaltungssatz, der auch das „Auseinanderfliegen aus dem Nichts“ regiert: Genau so funktionieren Rückstoß und Rakete.

3Geräte / Stoffe

Wagen 1 mit 0,5-kg-Zusatzmasse (gesamt 1,0 kg); für (b) die Auslösefeder mit Fadenauslösung, Lichtschranken beidseits.

  • Fahrbahn mit zwei Wagen (je 0,5 kg, Zusatzmassen)

    Das Stoßlabor: reibungsarm und eindimensional, eine Impulsrechnung mit Vorzeichen genügt.

  • Federpuffer und Klettaufsätze

    Schalten zwischen elastischem und unelastischem Stoß um.

  • Zwei Lichtschranken mit Zeitmessung

    Messen die Wagengeschwindigkeiten vor und nach dem Stoß (Fahnenbreite durch Torzeit).

  • Waage

    Bestimmt die Wagenmassen samt Aufsätzen.

  • Auslösbare Stoßfeder zwischen den Wagen

    Für den Explosions-Fall: Beide starten aus der Ruhe, die Feder treibt sie auseinander.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Beide Fälle als Vorher-nachher-Paare mit Impulspfeilen (Länge = m·v): In (b) sind die Nachher-Pfeile gleich lang und entgegengesetzt.

Gleiche Massen tauschen ihre Geschwindigkeitenvorher1 kg4 m/s1 kgsteht stillnachher1 kgsteht still1 kg4 m/sDeshalb das Kugelstoßpendel: eine rein, eine raus

Der elastische Stoß gleicher : Die werden komplett getauscht. Der Stoßende bleibt stehen, der Gestoßene übernimmt das Tempo: das Billard-Ergebnis.

Zusammen weiter: der unelastische Stoßvorher2 kg3 m/s1 kgsteht stillp = 6 kg·m/snachher2 kg1 kg2 m/sp = 6 kg·m/s2 kg · 3 m/s = 3 kg · 2 m/s, der Impuls bleibt

Der unelastische Stoß: Die Wagen verhaken sich und fahren gemeinsam weiter, langsamer, mit exakt erhaltenem Gesamtimpuls, aber verringerter Bewegungsenergie.

Aufbau: Fahrbahn (waagerecht austariert), zwei Wagen mit Zusatzmassen, Federpuffer- und Klett-Aufsätze, zwei Lichtschranken mit Torzeit-Messung (Unterbrecherfahne bekannter Breite auf jedem Wagen).

5Durchführung

Fall (a): wie gehabt, drei Durchgänge. Fall (b): Wagenpaar mittig, Feder spannen, per Faden auslösen; beide Schranken messen die auseinanderlaufenden Wagen.

6Beobachtung

Impulsbilanz beider Fälle
Fallvorhernachher
(a) 1,0 kg1{,}0\ \mathrm{kg} mit 0,30 m/s0{,}30\ \mathrm{m/s} auf ruhende 0,5 kg0{,}5\ \mathrm{kg}p=0,30 kg m/sp = 0{,}30\ \mathrm{kg\,m/s}v′=0,20 m/sv' = 0{,}20\ \mathrm{m/s}: p=1,5⋅0,20=0,30 kg m/sp = 1{,}5 \cdot 0{,}20 = 0{,}30\ \mathrm{kg\,m/s}
(b) Explosions-Fall aus der Ruhep=0p = 0v1′=−0,15 m/sv_1' = -0{,}15\ \mathrm{m/s} (1,0 kg), v2′=+0,31 m/sv_2' = +0{,}31\ \mathrm{m/s} (0,5 kg): p=0,005 kg m/s≈0p = 0{,}005\ \mathrm{kg\,m/s} \approx 0

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

7Auswertung

Beide Bilanzen gehen auf. In (a) trägt der Verbund exakt den alten weiter (0,30 kg m/s0{,}30\ \mathrm{kg\,m/s}). In (b) entstehen aus dem Nichts zwei entgegengesetzte Impulse, die sich zur alten Null summieren. Der doppelt so schwere Wagen läuft halb so schnell: 1,0⋅0,15=0,5⋅0,311{,}0 \cdot 0{,}15 = 0{,}5 \cdot 0{,}31 (auf 3 Prozent).

Warum das gelten muss: Während Stoß bzw. Federtrennung wirken auf beide Wagen actio und reactio: gleich groß, entgegengesetzt, gleich lange. Impulsänderung ist mal Zeit. Also sind beide Impulsänderungen exakt entgegengesetzt gleich; was der eine gewinnt, verliert der andere. Die Erhaltung ist das dritte , über die Stoßzeit aufsummiert.

Reichweite: Dieselbe Rechnung rekonstruiert Autounfälle, erklärt den Gewehrrückstoß (mKugelvKugel=mGewehrvRu¨ckstoßm_\mathrm{Kugel} v_\mathrm{Kugel} = m_\mathrm{Gewehr} v_\mathrm{Rückstoß}) und treibt Raketen: Die Impulssumme von Rakete und ausgestoßenem Gas bleibt konstant.

8Fazit

Die gilt allgemein: bei ungleichen (Verbundtempo 0,20 m/s wie vorhergesagt) und im Explosions-Fall (Impulssumme bleibt null). Sie folgt aus dem Wechselwirkungsgesetz und regiert Stöße wie Trennungen.

9Fehlerbetrachtung

Der Explosions-Fall hat eine eigene Tücke:

Feder löst unsymmetrisch auseher zufällig

Ursache

Die Feder verkantet oder drückt schief.

Auswirkung

Querimpulse und ; die Bilanz geht scheinbar nicht auf.

Verbesserung

Feder mittig führen; Durchgänge mit sichtbarem Verkanten verwerfen.

Bahnneigungeher systematisch

Ursache

Nicht austarierte Bahn beide Wagen einseitig.

Auswirkung

Besonders im Explosions-Fall (empfindliche Null-Bilanz!) entsteht ein systematischer Summenimpuls.

Verbesserung

Vor der Messung Austarieren: Ein ruhender Wagen muss ruhen bleiben.

Das Wichtigste

Impuls

p=m⋅vp = m \cdot v (mit Vorzeichen für die Richtung): die Erhaltungsgröße jedes Stoßes.

Der Erhaltungssatz

Ohne äußere gilt pgesamtvorher=pgesamtnachherp_\mathrm{gesamt}^\mathrm{vorher} = p_\mathrm{gesamt}^\mathrm{nachher}, und zwar bei jeder Stoßart, elastisch wie unelastisch.

Die zwei Stoßarten

Elastisch: auch die kinetische bleibt erhalten (Federpuffer geben alles zurück). Unelastisch: Ein Teil der Bewegungsenergie wird zu Verformung und ; nur der überlebt vollständig.

Warum Impuls erhalten bleibt

Beim Stoß wirken actio und reactio als gleich große Gegenkräfte gleich lange. Was der eine an verliert, gewinnt der andere exakt: Die Erhaltung folgt aus dem dritten .

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