Katapultiere einen Pingpongball hoch hinaus – mithilfe eines Tennisballs

Durchführung

Am besten führst du dieses Experiment draußen auf einem ebenen, festen Boden durch.

Lasse zunächst ein Tennisball und ein Pingpongball aus gleicher Höhe (z.B. Brusthöhe) einzeln zu Boden fallen (ohne Schwung zu geben) und beobachte, wie hoch jeder der beiden Bälle zurückspringt. Bis zu deinen Knien? Bis zur Hüfte? Sicherlich nicht bis über deinen Kopf. Wiederhole das Experiment ein paarmal und beobachte, ob das Resultat immer das gleiche ist.

Nimm dann den Tennisball in die eine Hand und den Pingpongball in die andere Hand und setze den Pingpongball in gerader senkrechter Linie auf den Tennisball oben drauf, so dass sich die Bälle berühren. Wieder auf etwa Brusthöhe. Was denkst du passiert, wenn du beide Bälle nun gleichzeitig loslässt, so dass sie zusammen als Stapel zu Boden fallen. Wird einer der beiden Bälle höher zurückspringen als der andere oder beide gleich hoch?

Du musst dieses Experiment vielleicht ein paarmal probieren um es hin zu bekommen, aber der Pingpongball sollte höher als der Tennisball zurückspringen – sogar über deinen Kopf hinaus. War deine Vorhersage korrekt? Was passiert hingegen mit dem Tennisball?

Prinzip

Wieso springt ein Ball nicht höher zurück als die Höhe aus der er fallen gelassen wurde?

Wenn ein Ball zu Boden fällt, gewinnt er unterwegs keine Energie. Im Gegenteil, er verliert sogar etwas Energie und springt deshalb weniger hoch!

Auf seinem Weg nach unten gewinnt der Ball an Geschwindigkeit und somit an Bewegungsenergie. Außerdem bekommt der Ball Impuls, also Schwung.

Bei dem Aufprall mit der Erde verformt sich der elastische Ball. Dabei reagiert die Luft in dem Ball wie eine Feder: sie wird zusammengedrückt und sofort wieder ausgedehnt: Der Ball springt zurück. Energie und Impuls des Balles bleiben grundsätzlich erhalten, es sei denn, es findet ein Austausch davon mit irgendeinem anderen Gegenstand statt, oder es entsteht Wärme. Und das ist beim dem Aufprall mit dem Boden der Fall. Durch Reibung (mit dem Boden und im Inneren des Balles selbst) wandelt sich ein kleiner Teil der Energie des Balles in Wärme um. Da der ruhende Boden dem Ball keine zusätzliche Energie zuspielt, hat dieser nicht mehr genug Energie, um seine Ausgangshöhe zu erreichen.

Wieso springt der Pingpongball im Stapel mit dem Tennisball höher zurück?

Der Pingpongball prallt nun nicht mit der Erde, sondern mit dem wieder aufspringenden Tennisball zusammen. Und dieser katapultiert den Pingpongball regelrecht nach oben.

Beim Aufprall erhält der Pingpongball vom Tennisball Schwung und Energie. Der Tennisball hingegen besitzt nun weniger Energie und springt auch weniger hoch, als wenn man ihn einzeln fallen lässt.

Im Experiment ist der Übergang von Energie und Impuls beim Aufprall deshalb so beträchtlich, weil die Masse des Tennisballes (unterer Ball) grösser ist als diejenige des Pingpongballes (oberer Ball). Mehr Masse heißt nämlich mehr Impuls und mehr Energie bei gleicher Geschwindigkeit.

Du hast vielleicht schon mal Folgendes beobachtet: Wenn man eine schwere Kugel gegen eine leichtere ruhende Kugel rollt, dann wird die leichtere durch den Stoß schneller als die schwerere vor dem Stoß. Hier, genau wie beim Versuch mit Tennis- und Pingpongball, finden die physikalischen Gesetze der Erhaltung von Impuls und Energie ihre Anwendung.

Gefahrenhinweis

Das Experiment ist ungefährlich. Es sollte nur im Freien durchgeführt werden, um zu vermeiden, dass herumfliegende Bälle Schäden anrichten.

Tipps

Es ist wichtig, dass die zwei Bälle in einer perfekten senkrechten Linie aufeinandersitzen.

Nimm einen (gut aufgepumpten) Basketball dazu und versuche das Experiment mit einem Basketball-Tennisball-Pingpongball-Stapel zu wiederholen. Hier ist es noch wichtiger, dass die Bälle gerade aufeinandersitzen.

Was passiert, wenn du die Reihenfolge der Bälle umkehrst? Setze den Tennisball auf den Pingpongball und probiere es aus!

Anwendung

Ein ähnliches Phänomen wird bei der Flugbahn von Raumsonden im Weltall benutzt, vor kurzem auch bei der Cassini-Sonde auf ihrem Weg zu Saturn. Der Raketenstart genügt nicht, um die 6000 kg schwere Sonde an ihr Ziel zu bringen. Deshalb benutzen die Raumfahrtplaner einen kleinen Trick: sie schickten die Sonde in ihrer Flugbahn nah an Planeten (Venus, Erde und Jupiter) vorbei, damit sie die Anziehungskraft dieser Planeten nutzen konnten um der Sonde – selbstverständlich in diesem Fall ohne sie zu berühren - einen „Schub“ zu geben. Man nennt dies „Swing-by“ oder auch „Gravity Assist“.

Autor: Michèle Weber & Joseph Rodesch (FNR)
Editor: André Mousset
Video: Michèle Weber & Joseph Rodesch (FNR)
Musik: Jake McBuzz (via Audiojungle)