Γιατί μια λαστιχένια μπάλα αναπηδά ενώ μια σιδερένια μπάλα όχι;

Η διαφορά μεταξύ μιας λαστιχένιας μπάλας και μιας σιδερένιας μπάλας είναι ότι το καουτσούκ είναι ελαστικό ενώ το σίδερο όχι. Στο καουτσούκ, τα μόρια είναι μακριά και μπερδεμένα, γεγονός που τους επιτρέπει να παραμορφώνονται χωρίς να σπάνε. Στον σίδηρο, τα μόρια είναι διατεταγμένα σε μια πιο άκαμπτη δομή και δεν μπορούν να περιστρέφονται γύρω από τους δεσμούς.

Είτε διασκεδάζετε τον εαυτό σας ένα βροχερό απόγευμα αναπηδώντας μια μπάλα από τον τοίχο είτε παρακολουθώντας ένα συναρπαστικό παιχνίδι μπέιζμπολ, όλοι έχουμε ψυχαγωγηθεί με αμέτρητους τρόπους από αυτό το κοινότοπο σφαιρικό παιχνίδι. Το πιο ευχάριστο από όλα, ωστόσο, μπορεί να είναι να αναπηδάς μια λαστιχένια μπάλα με πολλή δύναμη και να την παρακολουθείς να προσέχει προς όλες τις κατευθύνσεις. Δυστυχώς, δεν μπορείτε να διασκεδάσετε τόσο πολύ με μια πλαστική ή μεταλλική μπάλα.

Αυτό θέτει το ερώτημα, φυσικά, τι κάνει μια λαστιχένια μπάλα τόσο ξεχωριστή; Γιατί οι λαστιχένιες μπάλες είναι τα καλύτερα παιχνίδια που αναπηδούν; Υπάρχουν δύο παράγοντες που συμβάλλουν στην ευφυΐα. Το ένα είναι η ελαστικότητα του υλικού από το οποίο είναι φτιαγμένη η μπάλα και η άλλη σχετίζεται με την αλληλεπίδραση μεταξύ της δύναμης με την οποία αναπηδά και αυτής της ελαστικότητας.

Τι κάνει το ελαστικό ελαστικό;

Η ελαστικότητα αναφέρεται στην ετοιμότητα/ταχύτητα με την οποία ένα υλικό επιστρέφει στο αρχικό του σχήμα αφού συμπιεστεί ή τεντωθεί. Το καουτσούκ είναι κατασκευασμένο από μακριές μπερδεμένες χορδές άνθρακα που συνδέονται σε διαφορετικά σημεία κατά μήκος του με άλλες χορδές άνθρακα. Ως εκ τούτου, το καουτσούκ έχει πολύ ισχυρούς μοριακούς δεσμούς. Οι μακριές μοριακές αλυσίδες από καουτσούκ μπορούν να περιστρέφονται φυσικά γύρω από τους χημικούς δεσμούς που τις συγκρατούν, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα την ιδιότητα της ευελιξίας. Αυτό βοηθά το καουτσούκ να παραμορφώσει στιγμιαία το σχήμα του χωρίς να σπάσει. Δεδομένου ότι οι μοριακές αλυσίδες είναι διασταυρούμενες, το καουτσούκ μπορεί να επιστρέψει γρήγορα στο αρχικό του σχήμα μετά την παραμόρφωση.

πηγή:“RubberSyn&Natural” του Smokefoot – Δική δουλειά. Με άδεια χρήσης CC BY-SA 3.0 μέσω Commons https://commons.wikimedia.org/wiki/File:RubberSyn%26Natural.png#/media/File:RubberSyn%26Natural.png

Η φυσική της πτώσης

Κάθε φορά που ένα αντικείμενο σηκώνεται από το έδαφος και ανυψώνεται σε ένα ορισμένο ύψος, γίνεται εργασία ενάντια στο βάρος του αντικειμένου, το οποίο αποθηκεύεται ως δυνητική βαρυτική ενέργεια. Όταν το αντικείμενο – σε αυτή την περίπτωση μια λαστιχένια μπάλα – απελευθερώνεται και πέφτει στο έδαφος, η δύναμη της βαρύτητας που ασκεί η μπάλα την αναγκάζει να επιταχύνει, μετατρέποντας τη δυναμική ενέργεια σε κινητική ενέργεια. Λίγο πριν η μπάλα συγκρουστεί με την επιφάνεια, όλη η δυναμική ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια.

Σε μοριακό επίπεδο, όταν η μπάλα έρχεται σε επαφή με την επιφάνεια του εδάφους ή του τοίχου, οι μοριακές κλώνες της σφαίρας συμπιέζονται ή συνθλίβονται από την προς τα κάτω δύναμη που ασκεί πάνω της, σε συνδυασμό με την προς τα πάνω δύναμη που ασκείται από το έδαφος. Η μπάλα αλλάζει σχήμα από κύκλο σε οβάλ. Καθώς η μπάλα αλλάζει σχήμα, η δύναμη που παράγεται από τους δεσμούς, οι οποίοι συγκρατούν τους διαφορετικούς κλώνους από καουτσούκ, γίνεται μεγαλύτερη.

Αλλαγές μετά τον αντίκτυπο

Κατά την πρόσκρουση, η μπάλα σταματάει απότομα, αλλά εξακολουθεί να έχει μεγάλη ποσότητα κινητικής ενέργειας. Κάποια ποσότητα ενέργειας που περιέχει η μπάλα απορροφάται από την επιφάνεια, αλλά η υπόλοιπη πρέπει να πάει κάπου, οπότε αποθηκεύεται ως ελαστική ενέργεια. Και πάλι σε μοριακό επίπεδο, η δύναμη προς τα κάτω στους κλώνους μειώνεται, ενώ η δύναμη που ασκείται από τους δεσμούς αυξάνεται, με αποτέλεσμα οι κλώνοι να ανακτούν το αρχικό τους σχήμα. Χρειάζεται πολύ λίγος χρόνος για να σταματήσει εντελώς η μπάλα, μετά την οποία η ελαστική ενέργεια της μπάλας απελευθερώνεται και η μπάλα ασκεί μια δύναμη στο έδαφος. Υπάρχει μια ίση και αντίθετη δύναμη στη μπάλα προς την ανοδική κατεύθυνση (τρίτος νόμος του Νεύτωνα), που την κάνει να αναπηδά. Η μετατροπή της ελαστικής ενέργειας σε κινητική την κάνει να υψώνεται στο έδαφος. Με άλλα λόγια, αναπηδά ξανά στον αέρα!

Σε περίπτωση πλαστικής ή μεταλλικής μπάλας, το υλικό δεν είναι ελαστικό, αν και έχει την ίδια ποσότητα κινητικής ενέργειας. Η επιφάνεια που χτυπά η μπάλα θα απορροφήσει το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας κατά την πρόσκρουση και δεδομένου ότι το υλικό είναι μη ελαστικό, δεν θα συμπιεστεί ή θα αναμορφωθεί, κάτι που θα του έδινε την απαιτούμενη ποσότητα δύναμης για να ανέβει (αναπήδηση). Επίσης, η μεταφορά της κινητικής ενέργειας στην επιφάνεια του τοίχου θα οδηγήσει σε ένα βαθούλωμα ή μια τρύπα στον τοίχο, αφού η δύναμη δεν έχει πού αλλού να πάει!

Σημασία έχει και η επιφάνεια. Εάν η ίδια λαστιχένια σφαίρα αναπηδήσει από ένα χαλί, δεν θα σηκωθεί ή θα αναπηδήσει στο ίδιο ύψος όπως όταν αναπηδηθεί σε στερεό έδαφος. Ο χρόνος που χρειάζεται για να ξεκουραστεί η μπάλα είναι μεγαλύτερος, λόγω της συμπιεστότητας του χαλιού, πράγμα που σημαίνει ότι μεταφέρεται περισσότερη δύναμη στο χαλί, αφήνοντας έτσι λιγότερη δύναμη για την "αναπήδηση".

Τώρα που γνωρίζετε την επιστήμη της ελαστικότητας, δοκιμάστε να αναπηδήσετε μερικά πράγματα από τους τοίχους σας και δείτε τι θα συμβεί!