Kraftstoß

Kraftstoß und Rückstoß

Ein Stoß in der Physik ist eine sehr kurze Wechselwirkung zwischen zwei Körpern (auch Teilchen). Durch einen Stoß ändert sich im Allgemeinen nach bestimmten Gesetzmäßigkeiten die → Geschwindigkeit, der → Impuls und die → Bewegungsenergie aller beteiligten Stoßpartner.

Trifft ein sich bewegender, starrer Körper auf einen Anderen, so versetzt er diesem einen Kraftstoß, dessen wirkende Kraft eine Veränderung des Bewegungszustandes bei dem getroffenen Körpers zur Folge hat (= aktio). Der verursachende Stoßpartner erhält nach dem → 3. Newtonschen Gesetz einen gleich großen, dem Kraftstoß entgegengesetzt wirkenden Rückstoß (= reaktio), der wiederum auf dessen Bewegungszustand Einfluss nimmt.

SI-Einheit = Ns ¹ (kg · m/s).
Formelzeichen ist das S, I

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Grundlagen der Stoßgesetze

Die Übertragung der Bewegungen zwischen Stoßpartnern beim Kraftstoß wird bestimmt durch

→ Energiesatz und → Impulssatz

Diese Grundsätze bilden die Grundlage der Stoßgesetze.

Der Impuls ist eine Erhaltungsgröße und auch nach einem Kraftstoß in der Summe der Vektoren erhalten bleibt. Bei realen Stoßvorgängen wird ein Teil der Bewegungsenergie durch innere Reibung in Wärmeenergie umgewandelt. Die Summe aus kinetischer Energie und innerer Energie bleibt aber ebenfalls konstant.

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Unterscheidung der Stoßarten

elastischer | plastischer Stoß

In der klassischen Mechanik wird bei Kraftstößen unterschieden zwischen

• idealem elastischem Stoß und
• unelastischem (plastischem) Stoß.

Während beim idealen elastischem Stoß kinetische Energie von Körper zu Körper weitergegeben wird, insgesamt aber als Bewegungsenergie erhalten bleibt, wird beim plastischen Stoß ein Teil der kinetischen Energie in innere Energie (hauptsächlich thermische Energie) umgewandelt. Diesem Umstand wird in der klassischen Mechanik durch die → Stoßzahl (k) Rechnung getragen.

Idealer elastischer und idealer plastischer Stoß stellen physikalische Grenzfälle dar und kommen in der Praxis nicht vor. Der reale Stoß ist dagegen immer ein Mischform (teilelastischer Stoß).

gerader | versetzter Stoß

Bei einem geraden Stoß liegen die Geschwindigkeitsvektoren der Stoßkörper auf der → Stoßnormalen. Abweichend hiervon spricht man von einem versetzten oder schiefen Stoß.

zentraler | dezentraler Stoß

Liegen die Schwerpunkte der Stoßkörper auf der → Stoßnormalen, so spricht man von einem zentralen oder zentrischen Stoß. Unter Vernachlässigung der Reibung fallen beim zentralen Stoß die Stoßnormale und → Stoßlinie zusammen. In diesem Fall wird nur Impuls, kein Drehimpuls übertragen. Die Stoßpartner erfahren keine Rotation und verhalten sich insoweit wie Massepunkte bzw. Punktmassen. Liegt der gemeinsame Schwerpunkt der Stoßkörper nicht auf der → Stoßlinie, so spricht man von einem dezentralen oder exzentrischen Stoß.

Stoßvorgänge zwischen Kugeln mit homogener Massenverteilung sind, wenn zwischen den Stoßkörpern keine Reibungskräfte wirken, immer zentrale Stöße. Gleiches gilt bei zylindrischen Rotationskörpern, soweit die Körperachsen senkrecht auf der Ebene der Geschwindigkeitsvektoren stehen und keine äußeren Kräfte wirken.

glatter | rauer Stoß

Bei einem glatten Stoß wirken keine Reibungskräfte an den Berührungsflächen der Stoßkörper. Beim unglatten oder rauen Stoß (auch Reibungsstoß) treten Reibungskräfte an der Berührungsfläche auf und die Impulsübertragung erfolgt nicht mehr senkrecht zur Berührungsebene. Beim rauen Stoß werden Impuls und Drehimpuls übertragen und → Stoßnormale und → Stoßlinie weichen regelmäßig voneinander ab.

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Zeitlicher Verlauf

Beim Stoß realer Körper erfolgt die Impulsübertragung nicht momentan, sondern über eine kleine Zeitspanne verteilt. In der ersten Phase werden dabei die Stoßkörper zusammengedrückt (Komprimierungsphase) und ein Teil der kinetischen Energie in Innere Energie (thermische Energie, Spannenergie) umgewandelt. In der zweiten Phase (Restitutionsphase) bilden sich die Verformungen ganz oder teilweise zurück – die gespeicherte Spannenergie wird in kinetische Energie zurück gewandelt. Der gesamte Vorgang wird Kraftstoß genannt.

Die Dauer eines Kraftstoßes ist abhängig von der → Härte und Festigkeit der Stoßkörper bzw. seiner Komponenten. Da sich die Dauer der Stoßphasen und die dabei wirkenden Kräfte umgekehrt proportional zu einander verhalten, wird die Höhe des Kraftstoßes (Impulsübertragung) nicht von Dauer des Kraftstoßes beeinflusst.