Piłka tenisowa położona na piłce do koszykówki może wystrzelić wielokrotnie wyżej niż spadła sama
Jeśli piłkę tenisową położymy nad znacznie cięższą piłką do koszykówki i upuścimy zestaw, po uderzeniu dolnej piłki o podłogę lekka piłka może zostać gwałtownie wyrzucona w górę. Kluczowa jest kolejność zderzeń. Piłka do koszykówki odbija się od podłoża i zaczyna poruszać w górę, podczas gdy piłka tenisowa nadal leci w dół. Ich prędkość względna jest więc duża. W niemal sprężystym zderzeniu ciężki obiekt może przekazać lekkiemu znaczną część energii przy stosunkowo małej zmianie własnej prędkości, nadając mu bardzo dużą prędkość końcową.
Najpierw obie piłki spadają razem
Tuż przed kontaktem z podłogą obie piłki mają podobną prędkość skierowaną w dół. Gdyby zderzyły się tylko ze sobą w tym stanie, nie byłoby powodu do spektakularnego transferu energii. Ważne jest to, że dolna piłka pierwsza kontaktuje się z Ziemią i zmienia kierunek ruchu.
Podłoga odwraca ruch cięższej piłki
Duża piłka odkształca się i odbija. W idealizowanym obrazie po chwili porusza się w górę, podczas gdy lekka piłka tenisowa wciąż ma prędkość w dół. Powstaje zderzenie czołowe o dużej prędkości względnej. To odróżnia eksperyment od dwóch piłek jadących w tę samą stronę.
Mała masa może dostać dużą prędkość
W zderzeniu niemal sprężystym muszą być spełnione równocześnie bilanse pędu i energii kinetycznej. Gdy jedna masa jest znacznie większa od drugiej, cięższy obiekt może zachować znaczną część swojej prędkości, a lekki zostać silnie przyspieszony. Efekt przypomina piłeczkę odbijającą się od „ruchomej ściany”.
Wysokość nie bierze się znikąd
Piłka tenisowa może wznieść się wyżej niż wysokość, z której sama spadła, bo otrzymuje energię od piłki do koszykówki. Energia początkowa całego układu obejmowała energię potencjalną obu piłek. Nie ma więc naruszenia zachowania energii: następuje jej koncentracja w lżejszym obiekcie.
Realny wynik zależy od sprężystości i geometrii
Piłki nie są idealnie sprężyste, zderzenia mają skończony czas, a piłka tenisowa może nie trafić dokładnie w środek. Rotacja i odchylenie osi zmniejszają wysokość oraz mogą wysłać piłkę na bok. Demonstracje laboratoryjne służą więc przede wszystkim pokazaniu mechanizmu transferu, a nie jednej uniwersalnej wartości wysokości odbicia.
Co przewiduje idealny model zderzenia dwóch bardzo różnych mas
Jeśli lekka masa m zderza się sprężyście czołowo z dużo cięższą masą M poruszającą się ku niej, równania zachowania pędu i energii pokazują, że lekki obiekt może po zderzeniu uzyskać prędkość zbliżoną do dwukrotności prędkości ciężkiego „ruchomego muru” plus odpowiedni wkład własnej prędkości początkowej. W demonstracji z dwiema piłkami sytuacja nie jest dokładnie tym idealnym zadaniem, ponieważ dolna piłka jednocześnie kończy kontakt z podłogą, obie się odkształcają, a czasy kontaktów mogą się nakładać. Mimo to intuicja ruchomej ściany dobrze wyjaśnia, skąd bierze się duża prędkość małej piłki. Wysokość osiągnięta po zderzeniu rośnie z kwadratem prędkości startowej w górę, więc umiarkowany wzrost prędkości może dać spektakularny wzrost wysokości. Właśnie dlatego pokaz jest tak efektowny. Należy go wykonywać ostrożnie: mała piłka może polecieć wysoko i niekoniecznie pionowo. Edukacyjnie najważniejsze jest jednak to, że prawa zachowania nie rozdzielają energii „po równo”; zależnie od mas i geometrii ogromna część dostępnej energii może trafić do jednego lekkiego elementu.
Trzy piłki potrafią spotęgować efekt jeszcze bardziej
Jeśli ustawimy pionowo serię kulek o malejących masach, kolejne zderzenia mogą przekazywać energię coraz lżejszym elementom i nadać najmniejszemu bardzo dużą prędkość. Realny pokaz szybko staje się wrażliwy na współosiowość i czasy deformacji, dlatego nie można bezkrytycznie mnożyć idealnych wzorów. Mimo to eksperyment dobrze pokazuje, że w układzie wielociałowym energia może zostać skoncentrowana w małej masie przez sekwencję prawie sprężystych zderzeń.