Der Impuls eines Körpers ist das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit, p = mv; in einer Dimension bestimmt das Vorzeichen die Richtung. Bei einem Stoß üben nur die beiden Wagen Kräfte aufeinander aus und sonst nichts. Ihr Gesamtimpuls ist danach derselbe wie davor, ganz gleich, was der Stoß mit ihrer kinetischen Energie anstellt.
Was die einzelnen Symbole bedeuten
p
- Impuls,
mv, in kg·m/s. Nach rechts ist positiv; rollt ein Wagen nach links, trägt er negativen Impuls.
u
- Geschwindigkeit vor dem Stoß:
u₁ für Wagen 1 links, u₂ für Wagen 2 rechts. Die Wagen treffen nur aufeinander, wenn u₁ > u₂ ist.
v
- Geschwindigkeit nach dem Stoß.
e
- die Stoßzahl: Trennungsgeschwindigkeit geteilt durch Annäherungsgeschwindigkeit. Bei 1 bleibt die kinetische Energie der Relativbewegung vollständig erhalten; bei 0 haften die Wagen aneinander.
J
- der Kraftstoß, die Impulsänderung eines Wagens, in N·s. Bei einer Kontaktdauer von
Δt entspricht er der mittleren Kraft mal Δt.
Woher die Formel kommt
- Der Kraftstoß ist die Impulsänderung. Newtons zweites Axiom über die Kontaktdauer aufsummiert: Die Kraft mal der Einwirkzeit ergibt den hinzugewonnenen Impuls.
J=∫Fdt=FˉΔt=m(v−u)=Δp
- Nach Newtons drittem Axiom sind beide Kraftstöße entgegengesetzt gleich. Jeder Wagen drückt den anderen genauso stark, wie er selbst gedrückt wird, und das über dieselbe Kontaktzeit: Was Wagen 2 gewinnt, verliert Wagen 1.
m2(v2−u2)=−m1(v1−u1)⇒ m1u1+m2u2=m1v1+m2v2
- Das liefert eine Gleichung für zwei Unbekannte; die Stoßzahl liefert die zweite. Sie vergleicht die Trennungsgeschwindigkeit mit der Annäherungsgeschwindigkeit. Nur an dieser Stelle fließt ein, um welche Art von Stoß es sich handelt.
v2−v1=e(u1−u2)
- Das Gleichungspaar lösen. Nach diesen Formeln rechnet die Ergebnistabelle.
v1=m1+m2(m1−em2)u1+m2(1+e)u2v2=m1+m2(m2−em1)u2+m1(1+e)u1
- Der Verlust an kinetischer Energie hängt allein von der Relativgeschwindigkeit ab. Er ist null bei e = 1 und am größten bei e = 0, wenn die Wagen aneinanderhaften. Treffen dieselben Massen mit derselben Relativgeschwindigkeit aufeinander, verlieren sie exakt dieselbe Energie, ganz gleich, wohin sich das Paar als Ganzes bewegt.
ΔK=21m1+m2m1m2(1−e2)(u1−u2)2
- Setzt voraus
- Die Wagen bewegen sich entlang einer Geraden und berühren während des Stoßes nur einander; Reibung und Schiene übertragen in dieser Zeit keinen Kraftstoß. Die Stoßzahl ist ein fester Wert für das Materialpaar, auch wenn sie bei realen Stoßpartnern mit härterem Aufprall sinkt. Die Wände der Animation liegen außerhalb des Zwei-Wagen-Systems: Ein Wandstoß kehrt die Richtung eines Wagens um, was den Gesamtimpuls ändert, die kinetische Energie aber unangetastet lässt.