Dritte Gleichung der Physik: Der Impuls zum Verständnis von Stößen

Prinzip der Impulserhaltung

Die dritte Grundgleichung der klassischen Physik, die man als wesentlich betrachten könnte, ist die Gleichung der Impulserhaltung bzw. Impulserhaltung.
Mit anderen Worten: Die Summe der Impulse von Objekten vor einem Ereignis (z. B. einer Kollision) ist gleich der Summe der Impulse nach dem Ereignis, solange keine äußeren Kräfte eingreifen.

Dieses Gesetz ist besonders nützlich bei der Untersuchung von Kollisionen (elastisch und unelastisch) und Explosionen. Wenn beispielsweise zwei Objekte kollidieren, können wir mithilfe der Impulserhaltung die Endgeschwindigkeiten der Objekte nach dem Aufprall berechnen, vorausgesetzt, wir kennen ihre Anfangsmassen und -geschwindigkeiten.

Impulserhaltungsgleichung

p = mv

• p ist die Bewegungsmenge oder der Impuls des Objekts, ausgedrückt in Kilogrammmetern pro Sekunde (kg·m/s),

• m ist die Masse des Objekts in Kilogramm (kg),

• v ist die Geschwindigkeit des Objekts in Metern pro Sekunde (m/s).

Was sagt uns p=mv?

Betrachten Sie zwei Objekte mit den Massen m1 und m2, die sich mit den Anfangsgeschwindigkeiten v1 und v2 bewegen. Nach der Kollision betragen ihre Geschwindigkeiten v'1 und v'2.
Die Impulserhaltung sagt uns: m1 v1 + m2 v2 = m1 v'1 + m2 v'2
Die gesamte kinetische Energie des Systems bleibt vor und nach der Kollision erhalten.

Diese Gleichung, die mit der kinetischen Energie bei elastischem Zusammenstoß verknüpft ist, ermöglicht es, die Geschwindigkeiten der beiden Objekte nach dem Aufprall zu bestimmen.

Geschwindigkeit ist eine vektorielle Größe, da sie nicht nur beschreibt, wie schnell sich ein Objekt bewegt, sondern auch die Richtung, in die es sich bewegt. Dies ist wichtig, um die vollständige Bewegung eines Objekts im dreidimensionalen Raum zu beschreiben.
Da die Geschwindigkeit ($ \vec{v} $) eine Vektorgröße ist, muss auch der Impuls ($ \vec{p} $) ein Vektor sein. Die Richtung und Größe von p werden durch diejenigen von v bestimmt.

Konzept elastischer und unelastischer Kollisionen

Kollisionen sind Wechselwirkungen, bei denen zwei oder mehr Objekte in Kontakt kommen und Energie und Impuls austauschen. Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Kollisionen, die auf der Erhaltung der kinetischen Energie basieren: elastische Kollisionen und inelastische Kollisionen.

Bei einem elastischen Stoß bleibt die gesamte kinetische Energie des Systems vor und nach dem Stoß erhalten. Dies bedeutet, dass die gesamte kinetische Energie der an der Kollision beteiligten Objekte konstant bleibt, obwohl die Energie zwischen den Objekten in Form unterschiedlicher Bewegungen und Geschwindigkeiten umverteilt werden kann.
Beispiele: Kollisionen zwischen Billardkugeln oder Kollision zwischen Teilchen in einem Gas.

Bei einem inelastischen Stoß bleibt die gesamte kinetische Energie nicht erhalten. Ein Teil der kinetischen Energie wird in andere Energieformen umgewandelt, beispielsweise in thermische Energie, Schallenergie oder Verformungsenergie. Gegenstände können sich verformen, erhitzen oder Geräusche erzeugen.
Beispiele: Zusammenstoß zwischen Fahrzeugen bei einem Autounfall, bei dem sich die Autos verformen und erhitzen, oder Aufprall eines Tennisballs gegen eine Wand, bei dem der Ball seine Form ändert.