Impuls & Stoßgesetze Labor

In jedem abgeschlossenen System bleibt der Impuls aufgrund von Newtons drittem Axiom immer erhalten: Die Kraft, die Wagen 1 auf Wagen 2 ausübt, ist gleich groß und entgegengesetzt zu der Kraft, die Wagen 2 auf Wagen 1 ausübt. Die kinetische Energie bleibt jedoch nur bei vollkommen elastischen Stößen (e = 1) erhalten. Bei makroskopischen Kollisionen in der Realität wird immer Energie in Wärme, Schall und Materialverformung umgewandelt (e < 1). Auf subatomarer Ebene sind Stöße zwischen Gasmolekülen vollkommen elastisch, weshalb Gase sich nicht irgendwann als kalte Pfützen statischer Materie am Boden absetzen.

Die Stoßzahl e ist der zentrale Regler dieses Tools. Sie ist einfach die Trennungsgeschwindigkeit geteilt durch die Annäherungsgeschwindigkeit: e = 1 bedeutet einen perfekten Rückprall (ein Flummi), e = 0 heißt, die Wagen bleiben aneinander kleben wie nasser Ton. Man kann sie zu Hause messen — lass einen Ball fallen und teile die Sprunghöhe durch die Fallhöhe, das ergibt e². Ein Basketball, der auf etwa 64% seiner Fallhöhe zurückspringt, hat e ≈ 0.8.

Ein Swing-by-Manöver einer Raumsonde folgt genau diesen Regeln, ganz ohne Berührung. Im Bezugssystem des Planeten ist der Vorbeiflug perfekt elastisch (e = 1): Die Sonde verlässt ihn mit derselben Geschwindigkeit, mit der sie ankam, nur umgelenkt. Im Bezugssystem der Sonne kann sie jedoch fast die doppelte Bahngeschwindigkeit des Planeten aufnehmen. Voyager 2 gewann so am Jupiter rund 10 km/s — geliehen aus der Bahnbewegung des Planeten, die sich im Gegenzug um einen völlig vernachlässigbaren Betrag verlangsamte.