ゴム球と鉄球の違いは、ゴムは伸縮性があり、鉄は伸縮性がないことです。ゴムでは、分子が長く絡み合っているため、壊れずに変形できます。鉄では、分子はより堅固な構造に配置されており、結合の周りを回転することができません.
雨の日の午後、ボールを壁にぶつけて楽しんだり、エキサイティングな野球の試合を観戦したりと、私たちは皆、この平凡な球形のおもちゃによって無数の方法で楽しまれてきました。ただし、最も楽しいのは、ゴムボールを大きな力で跳ね返して、それがあらゆる方向に動くのを見ることです。残念ながら、プラスチック製や金属製のボールではあまり楽しめません。
もちろん、ゴムボールの何がそんなに特別なのかという疑問が生じます。ゴムボールが究極の跳ねるおもちゃなのはなぜですか?弾力性に寄与する要因は 2 つあります。 1 つはボールが作られる素材の弾性であり、もう 1 つはボールが跳ね返る力とその弾性との相互作用に関連しています。
ゴムが弾力性を持つ理由
弾力性とは、材料が圧縮または伸張された後、元の形状に戻る準備/速さを指します。ゴムは、その長さに沿ったさまざまなポイントで他のカーボンのストリングに取り付けられた、長く絡み合ったカーボンのストリングでできています。そのため、ゴムは非常に強力な分子結合を持っています。ゴムの長い分子鎖は、それらを結合している化学結合の周りを物理的に回転することができ、柔軟性の特性をもたらします.これにより、ゴムが壊れることなく瞬間的に変形します。分子鎖が架橋されているため、ゴムは変形後すぐに元の形状に戻ることができます。
出典:Smokefoot による「RubberSyn&Natural」 – 自作。コモンズ https://commons.wikimedia.org/wiki/File:RubberSyn%26Natural.png#/media/File:RubberSyn%26Natural.png 経由で CC BY-SA 3.0 の下でライセンス供与
落下の物理学
物体が地面から持ち上げられ、特定の高さまで持ち上げられるたびに、物体の重量に対して仕事が行われ、潜在的な重力エネルギーとして保存されます。オブジェクト (この場合はゴム ボール) が解放されて地面に落ちると、ボールに作用する重力によってボールが加速し、位置エネルギーが運動エネルギーに変換されます。ボールが表面に衝突する直前に、すべての位置エネルギーが運動エネルギーに変換されます。
分子レベルでは、ボールが地面または壁の表面に接触すると、ボールの分子ストランドは、ボールに作用する下向きの力と地面によって加えられる上向きの力によって圧縮または押しつぶされます。ボールは円形から楕円形に形を変えます。ボールの形状が変化するにつれて、ゴムのさまざまなストランドを一緒に保持する結合によって生成される力が大きくなります.
影響後の変更
衝突すると、ボールは突然停止しますが、それでも大量の運動エネルギーを持っています。ボールに含まれるエネルギーの一部は表面に吸収されますが、残りはどこかに行かなければならないため、弾性エネルギーとして蓄えられます。再び分子レベルでは、ストランドにかかる下向きの力が減少する一方で、結合によって加えられる力が増加し、その結果、ストランドは元の形状に戻ります。ボールが完全に停止するまでに非常に短い時間がかかります。その後、ボールの弾性エネルギーが解放され、ボールが地面に力を加えます。ボールには上向きの等しい反対の力がかかり (ニュートンの第 3 法則)、ボールは跳ね返ります。弾性エネルギーが運動に変換されると、地面に対して上昇します。つまり、空中に跳ね返ります!
プラスチックや金属のボールの場合、材料は同じ量の運動エネルギーを持ちますが、弾性ではありません。ボールが衝突する表面は、インパクト時にほとんどのエネルギーを吸収します。素材は非弾性であるため、圧縮されたり変形したりせず、上昇 (跳ね返る) に必要な力が得られます。また、壁の表面に運動エネルギーが伝達されると、壁にへこみや穴ができます。これは、力の行き場が他にないためです!
表面も重要です。同じゴムボールがじゅうたんで跳ね返った場合、固い地面で跳ね返ったときと同じ高さまで上昇または跳ね返ることはありません。カーペットの圧縮性により、ボールが静止するまでの時間が長くなります。これは、より多くの力がカーペットに伝達され、「跳ね返る」力が少なくなることを意味します。
弾性の科学を理解したところで、いくつかのものを壁にぶつけてみて、何が起こるか見てみましょう!
