Welche Kugel springt am höchsten wieder zurück, wenn man sie auf eine harte Unterlage fallen lässt?

a) eine aus Holz
b) eine aus Stahl
c) eine aus Gummi
d) eine aus Glas

Antwort:

Eine Glaskugel springt höher als eine aus Holz oder eine Gummikugel. Am höchsten springt jedoch die aus Stahl.

Erklärung:

Die Sache ist relativ einfach: Es handelt sich hier um einen inelastischen Stoß. Vor und nach dem Zusammenprall unterscheiden sich Impuls und Energie der beteiligten Partner. Beim inelastischen Stoß wird zudem ein Teil der kinetischen Energie in eine im Medium gebundene, so genannte innere Energie umgewandelt, die dann für den Rückstoß fehlt.

In welchem Ausmaß dies geschieht, hängt wesentlich von den Eigenschaften der Körper ab. Physiker unterscheiden physikalisch-thermische, chemische und kernphysikalische Energieumwandlungen sowie Wechselwirkungen mit externen Feldern. Bei den hier betrachteten Fallversuchen ist die physikalisch-thermische Umwandlung entscheidend.

Insbesondere Gummi und Holz sind bekannt dafür, dass sie sich relativ leicht deformieren lassen, was einen Teil der kinetischen Energie aufzehrt. Die wandelt sich normalerweise in Wärme um. Gut zu erkennen ist das beispielsweise daran, dass sich Autoreifen bei längerer Fahrt durch die geleistete "Walkarbeit" erwärmen. 

Stahl wiederum ist zwar elastischer als Glas. Als amorphes Material verliert Glas durch den atomaren Umbau seiner Atome bei der Deformation aber mehr Energie als das polykristalline Metall, insbesondere wenn es sich um gehärteten Stahl handelt. Im Moment der Berührung einer Glaskugel mit einer harten Oberfläche treten in einer nahezu punktförmigen Berührungszone sehr hohe Drücke auf, die bis an die Zerreißgrenze des Materials gehen. Wird diese überschritten, springt die Kugel übrigens nicht mehr zurück, sondern zerplatzt, und die Trümmerstücke zerstreuen sich über die Oberfläche. Doch selbst wenn die Glaskugel heil bleibt, trägt sie irreversible Mikrorisse davon, deren Entstehung einen Teil der kinetischen Energie aufzehren.

Nach dem Energieerhaltungssatz erhält ein weniger energieaufzehrender Prozess – Stahl auf Stahl beispielsweise – die kinetische Energie besser, und die Kugel erreicht daher eine größere Rücksprunghöhe.


Für die Hilfe bei der Beantwortung der Frage bedanken wir uns bei Andreas Wieck von der Ruhr-Universität Bochum.