Die Galileische Kanone - Geschwindigkeitsvervielfachung bei Kollisionen von gestapelten Kugeln
Die Galilei-Kanone demonstriert die Geschwindigkeitsvervielfachung durch aufeinanderfolgende, eindimensionale elastische Kollisionen. Wenn ein Stapel von Kugeln mit abnehmender Masse fallen gelassen wird, prallt die unterste Kugel ab und stößt mit der darüber liegenden zusammen. In einem idealisierten Fall, in dem eine große Masse [latex]m_1[/latex] mit der Geschwindigkeit [latex]v[/latex] abprallt und auf eine viel kleinere Masse [latex]m_2[/latex] trifft, die sich mit [latex]v[/latex] nach unten bewegt, wird die kleinere Masse mit fast [latex]3v[/latex] nach oben geschleudert.
The core principle of the Galilean cannon relies on the conservation of linear momentum and kinetic energy in perfectly elastic collisions. Consider two balls, a large one of mass [latex]m_1[/latex] and a small one of mass [latex]m_2[/latex]. The entire stack falls under gravity, reaching a velocity [latex]-v[/latex] just before impact. The bottom ball, [latex]m_1[/latex], strikes the ground and perfectly rebounds with velocity [latex]+v[/latex]. It immediately collides with ball [latex]m_2[/latex], which is still moving downwards at [latex]-v[/latex].
Aus der Perspektive eines Beobachters auf Kugel m₁ nähert sich Kugel m₂ mit einer Relativgeschwindigkeit von (-v) + v = -2v. Bei einem vollkommen elastischen Stoß ist die relative Geschwindigkeit der Trennung gleich dem Negativen der relativen Annäherungsgeschwindigkeit. Daher bewegt sich Kugel m₂ nach dem Stoß mit einer Relativgeschwindigkeit von +2v von m₁ weg.
Um die Endgeschwindigkeit von m₂ im Laborsystem, v₂, zu bestimmen, addieren wir diese relative Trennungsgeschwindigkeit zur Endgeschwindigkeit von m₁, v₁. Die Formel für die Endgeschwindigkeiten bei einem eindimensionalen elastischen Stoß lautet v₂ = v(3m₁ m₂)/(m₁ + m₂). Im Grenzfall m₁ > m₂ ist die Masse von m₁ so groß, dass ihre Geschwindigkeit durch den Stoß kaum beeinflusst wird, sodass v₁ ≈ v. Die Endgeschwindigkeit von [latex]m_2[/latex] beträgt dann [latex]v_2′ approx v_1′ + 2v approx v + 2v = 3v[/latex]. Diese Verdreifachung der Geschwindigkeit der zweiten Kugel ist der grundlegende Verstärkungseffekt. Werden weitere Kugeln übereinandergestapelt, verstärkt sich dieser Effekt kaskadenartig und führt zu noch höheren Geschwindigkeiten der obersten Kugel.
Der Astroblaster® Es handelte sich um ein im Handel erhältliches Spielzeug, das das Prinzip der Galilei-Kanone veranschaulichte: Es bestand aus vier Kugeln abnehmender Größe und Masse, die auf einer zentralen Achse befestigt waren, wodurch die Stöße eindimensional erfolgten. Beim Fallenlassen prallte die kleinste, oberste Kugel um ein Vielfaches höher als ihre ursprüngliche Fallhöhe zurück und verdeutlichte so anschaulich die Übertragung und Konzentration kinetischer Energie.
UNESCO Nomenclature: 2210
- Mechanik
Typ
Physikalisches Prinzip
Verwendung
Weitverbreitete Verwendung
Vorläufer
- Galileis Arbeit über fallende Körper
- Christiaan Huygens' Arbeiten über Kollisionen (ca. 1650er Jahre)
- Isaac Newtons Bewegungsgesetze
- Impulserhaltungssatz
- Prinzip der Erhaltung der kinetischen Energie bei elastischen Stößen
Anwendungen
- Demonstrationen im Physikunterricht
- Modelle für Typ-II-Supernova-Explosionen
- konzeptionelle Hochgeschwindigkeitsprojektilwerfer
Potenzielle Innovationsideen
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