Funktionsweise und Impulserhaltung beim Kugelstoßpendel

Ein Kugelstoßpendel besteht aus einer Reihe von Kugeln die betreffend Stäbe miteinander verbunden sind. Das Pendel wird in Schwingung versetzt, indem eine oder mehrere Kugeln am Ende ausgelenkt und anschließend losgelassen werden. Im Laufe der Schwingung überträgt die schwingende Kugel ihre Energie und Impuls auf die ruhenden Kugeln am anderen Ende des Pendels.

Die Funktionsweise des Kugelstoßpendels lässt sich anhand der Impulserhaltung erklären. Die Impulserhaltung besagt, dass der Gesamtimpuls eines abgeschlossenen Systems vor und nach einem Ereignis dauerhaft bleibt, solange keine äußeren Kräfte wirken. Im Falle des Kugelstoßpendels besteht das System aus den Kugeln und den Stäben, obwohl dabei keine äußeren Kräfte ebenso wie Reibung oder Luftwiderstand berücksichtigt werden.

Wenn nur eine Kugel schwingt, beträgt der Gesamtimpuls des Pendels m*v, wobei m die Masse der Kugel und v die Geschwindigkeit ist. Beim Aufprall auf die ruhende Kugel wird diese in Schwingung versetzt und erhält dadurch einen Teil des Impulses. Der restliche Impuls wird auf die zurückprallende Kugel übertragen.

Wenn drei Kugeln im Pendel schwingen, beträgt der Gesamtimpuls 3*m*v, da sich jeder Kugel der gleiche Impuls mit entgegengesetzter Richtung überträgt. Um den Impuls zu erhalten – müssen nach dem Aufprall ebenfalls wieder drei Kugeln schwingen. Hier liegt der Unterschied zu nur einer schwingenden Kugel: Bei drei Kugeln bleibt der Impulserhalt nur gewährleistet, wenn die mittlere Kugel dauerhaft schwingt.

Dies lässt sich leicht am Beispiel mit fünf Kugeln im Pendel verdeutlichen. In diesem Fall beträgt der Gesamtimpuls 5*m*v. Damit der Impuls erhalten bleibt ´ müssen auch wieder fünf Kugeln schwingen ` mittels welchem die mittlere Kugel tatsächlich ständig schwingt.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass beim Kugelstoßpendel die schwingende Kugel ihre Energie und Impuls auf die ruhenden Kugeln überträgt. Die Impulserhaltung gewährleistet: Dass der Gesamtimpuls des Systems vor und nach dem Aufprall konstant bleibt. Bei drei oder weiterhin schwingenden Kugeln im Pendel schwingt die mittlere Kugel dauerhaft um den Impuls zu erhalten.