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Eine Studie über die Auswirkung der Dichte und Temperatur eines Tennisballs auf die Art und Weise, wie er springt.

Beeinflusst die Temperatur eines Tennisballs seine Sprungkraft?

Von Andrew Lee

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EINGEREICHT AN DIE SABIO ACADEMY, UM DIE ANFORDERUNGEN DES SR 90 JUNIOR RESEARCH COURSE AN DER SABIO ACADEMY ZU ERFÜLLEN

© Andrew Lee. Alle Rechte vorbehalten.

Der Autor erteilt hiermit Sabio Academy die Erlaubnis, Papier- und elektronische Kopien dieses Dokuments ganz oder teilweise in jedem jetzt oder in Zukunft erstellten Medium zu reproduzieren und zu verbreiten.

Unterschrift: ___________________________________________________

Abstract

Der Zweck dieses Experiments ist es herauszufinden, ob die Temperatur eines Tennisballs die Art und Weise beeinflusst, wie er springt. Es ist auch herauszufinden, ob die Temperatur eines Objekts sein Verhalten beeinflussen kann. Was einen Tennisball hauptsächlich zum Abprallen bringt, ist der gesamte darin gespeicherte Druck. Der Ball hat nicht viel Druck, aber genug, damit sich die Luftmoleküle frei bewegen können und die Moleküle, wenn sich im Inneren eine Lücke befindet, gleiten können, um sie abzudecken. Wenn ein Tennisball springt, werden die Luftmoleküle im Inneren gezwungen, sich auf den Boden zu bewegen, und wenn der Ball wieder aufsteigt, bewegen sich die Luftmoleküle schnell wieder nach oben, um den Raum zu füllen, wodurch ein Teil des Gewichts des Tennisballs steigt.

In diesem Experiment wird man den Tennisball auf vier verschiedene Temperaturen stellen – Raum, Gefrieren, heiß und kalt. Suchen Sie zuerst einen Tennisball mit einem Thermometer direkt daneben und lassen Sie ihn 20 Minuten bei Raumtemperatur stehen. Notieren Sie die Temperatur auf dem Thermometer. Verwenden Sie danach einen Meterstab oder ein Maßband und messen Sie einen Meter oder einhundert Zentimeter. Lassen Sie den Ball aus dieser Höhe fallen und messen Sie, wie hoch er abprallt. Notieren Sie es. Wiederholen Sie diese Schritte, aber halten Sie den Ball in einem Kühlschrank, einem Gefrierschrank und einem Ofen. Analysieren Sie dann die Informationen.

Das Ergebnis sollte gewesen sein, dass der Ball im Gefrierschrank viel niedriger abprallte als bei jeder anderen Temperatur, und dass der Ball im Ofen am höchsten hätte abprallen sollen.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung 2

Hypothese. 2

Hintergrundforschung. 2

Materialien. 2

Experimentelles Verfahren. 2

Variablen. 2

Datenanalyse & Diskussion. 2

Schlussfolgerung. 2

Ideen für die zukünftige Forschung. 2

Danksagungen. 2

Zitierte Werke. 2

Anhang. 2

Hypothese

Der Tennisball wird wahrscheinlich bei heißen Temperaturen stärker und bei Kälte weniger abprallen. Da der Abprall eines Tennisballs teilweise vom Druck des Gases in ihm abhängt, wird der Ball bei verschiedenen Drücken unterschiedlich abprallen. Heiße Temperaturen erzeugen mehr Druck, während kalte Temperaturen nicht viel Druck erzeugen.

Hintergrundforschung

Geschichte der Tennisbälle

Tennisbälle wurden erstmals in den frühen 1300er Jahren hergestellt. Sie wurden zuerst von den französischen Mönchen im Spiel „Jeu de Paume“ verwendet.“ (Borlings, 2011)Diese Bälle waren oft mit Sägemehl verpackt, das in Leder eingewickelt war. (Borlings, 2011) Sie hüpften jedoch nicht sehr gut. „Jeu de Paume“ wurde gespielt, ohne den Ball zu hüpfen,und wurde nur gegen eine Wand gespielt.(Borlings, 2011) Das Spiel ist veraltet und wird nicht mehr gespielt. Tennisbälle in den 1400er Jahren waren den ersten Tennisbällen ziemlich ähnlich, aberSie waren mit Kreide, Sand, Sägemehl oder Erde gefüllt.(Wikipedia, 2012) Traditionelle Tennisbälle wurden auch aus einem kugelförmigen genähten Umschlag aus Leder oder Stoff hergestellt, der mit Lumpen, Rosshaar oder ähnlichem Material gefüllt war.(Incorporation, 2011)Es bestand auch aus einer Mischung, die wie Kitt und menschliches Haar aussah.(Borlings, 2011)Im Jahr 1470 verbot Ludwig XI. von Frankreich jedoch das Füllen von Tennisbällen und sagte, dass sie mit hochwertigem Leder gefüllt werden sollten.(Wikipedia, 2012)Im 16.Jahrhundert wurden auch Tennisbälle gefunden, die mit Tierfleisch und Knochen gefüllt waren. (Wikipedia, 2012) Ab dem 18.Jahrhundert wurden Tennisbälle gebildet, indem ¾ „Wollstreifen um einen Kern gewunden wurden, der durch Rollen von Streifen zu einem winzigen Ball hergestellt wurde.(Wikipedia, 2012) Auch Semi-traditionelle Tennisbälle hatten ein holzigeres Gefühl und hüpften nicht so hoch; Es gab keinen Druck im Ball. (Wikipedia, 2012)Im 19.Jahrhundert wurden Tennisbälle aus Gummi hergestellt. (Borlings, 2011) Gummi konnte mehr kinetische Energie nutzen als andere Materialien, die verwendet wurden, so dass die Bälle höher hüpften. Seit Beginn des Tennis in den 1870er Jahren wurde Indienkautschuk, der aus einem von Charles Goodyear in den 1850er Jahren erfundenen Vulkanisationsprozess hergestellt wurde, zur Herstellung von Rasentennisbällen verwendet.(Incorporation, 2011) Die ersten Gummi-Tennisbälle wurden aus reinem Gummi hergestellt, und ihre Eigenschaften wurden durch Aufnähen von Flanell auf den Kern erhöht. (Incorporation, 2011)In den späten 1920er Jahren wurden Tennisbälle unter Druck gesetzt. (Borlings, 2011) Dies war sehr wichtig, da die neuen Druckkugeln höher und besser prallten und weiter getroffen werden konnten.(Borlings, 2011) Ab den 1920er Jahren basierte der Herstellungsprozess eines Tennisballs auf dem Kleeblatt-Prinzip, bei dem eine Gummiplatte zu einem dreiblättrigen Kleeblatt geformt wurde.(Incorporation, 2011)Dann würden Maschinen die Gummiplatte in eine Kugelform verwandeln. (Incorporation, 2011) Danach würden Chemikalien Druckgas erzeugen, das der Gummikontur hinzugefügt werden sollte. (Incorporation, 2011) Der kugelförmige Gummi würde dann in beheizten Hohlräumen zu einer tatsächlichen Kugel geformt.(Incorporation, 2011) Diese Methode wurde lange Zeit angewendet. Heutzutage werden jedoch zuerst zwei Halbschalen hergestellt und zu einem Kern verschmolzen.(Incorporation, 2011) Außerdem wurde das ursprüngliche Flanelltuch durch ein spezielles Melton-Tuch ersetzt, das speziell für diesen Zweck hergestellt wurde, und die Nähte wurden durch Gumminähte ersetzt. (Incorporation, 2011)Im Jahr 1972 wurden Tennisbälle gelb.(Borlings, 2011) Wie Gas im Tennisball den Sprung des Balls beeinflusst, wird erklärt.

Die Physiologie eines Tennisballs enthält einen hohlen Kern aus einem gummiartigen Material. (Sheehan, 2011) Außerhalb des Balls ist Filz, der pelzige, gelbe Stoff auf der Oberfläche des Tennisballs. (Harriman, 2012) Die Partikel, aus denen Gas im Tennisball besteht, sind nicht sehr kondensiert und überladen; Sie können sich leicht bewegen oder gleiten, um Löcher im Kern zu füllen. (Sheehan, 2011)Wie die meisten Menschen wissen, können sich die Moleküle, aus denen Gas besteht, leicht ausdehnen oder zusammenziehen. Wenn ein Tennisball auf den Boden trifft, drückt die Kraft gegen den Ball, drückt die Unterseite des Balls in den Kern und komprimiert das Gas darin. (Sheehan, 2011) Beim Aufprall wird das Gas in Richtung Boden bewegt. Wenn der Tennisball nach dem Drücken in seine normale Form zurückkehrt, nimmt das Gas im Ball schnell den Raum ein, der während des Aufpralls offen war, wodurch das Gas als Feder wirkt und der Ball in die Luft springt. (Sheehan, 2011) Wenn man den Ball jedoch weiter hüpfen lässt, springt er jedes Mal weniger hoch, bis er schließlich nur noch auf dem Boden sitzt. Dies liegt daran, dass die Energie, die bei der Kollision des Balls mit dem Boden verloren geht, unelastisch ist, was bedeutet, dass die kinetische Energie im Ball jedes Mal verloren geht, wenn er abprallt.(Sheehan, 2011) Es ist wie bei einem Trampolin: Wenn man auf ein Trampolin springt, dehnt sich das Material des Trampolins aus und dehnt sich aus, und wenn dies der Fall ist, wird das Trampolin gezwungen, in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren, wodurch man auf das Trampolin springt.

Der Druck des Gases im Innern des Tennisballs bestimmt, wie hoch der Ball abprallen wird. Je höher der Druck, desto mehr springt der Ball und umgekehrt. . Die wissenschaftliche Gleichung zur Bestimmung des Gasdrucks lautet „p = rRT“, wobei „p“ der Druck, „r“ die Dichte, „R“ eine für das Gas spezifische Konstante und „T“ die Temperatur ist. Wie man vielleicht bereits weiß, führt eine höhere Temperatur zu einem höheren Druck, während eine niedrigere Temperatur zu einem niedrigeren Druck führt. (Harriman, 2012) Wenn die Temperatur ansteigt, dehnen sich die Gasmoleküle aus und wenn sie sich ausdehnen, nimmt ihre Energie zu, wodurch sie stürmischer aufprallen. (Harriman, 2012)Ebenso bewirkt eine kältere Temperatur, dass sich die Gasmoleküle zusammenziehen und langsamer bewegen. Infolgedessen hat ein kalter Ball einen viel geringeren Sprung.(Harriman, 2012)

Hier ist ein Diagramm der Struktur eines Tennisballs. Das Grün steht für den Filz auf dem Ball und das Schwarz für den hohlen Kern. Die blauen Punkte repräsentieren die Gasmoleküle im Inneren.

Materialien

Video Kamera

Tennis Ball

Kühlschrank

Gefrierschrank

EINE gute quelle von wärme, dass können wärme dinge gleichmäßig

Lineal/Meter stick/maßband

Papier

Bleistift

Thermometer

Versuchsverfahren

  1. Suchen Sie einen Tennisball und legen Sie ihn mit einem Thermometer daneben etwa 20 Minuten lang in einen Gefrierschrank. Stellen Sie sicher, dass sich keine Flüssigkeiten im Gefrierschrank befinden
  2. Nach den 20 Minuten den Ball herausnehmen. Notieren Sie die Temperatur auf dem Thermometer des Balls und notieren Sie sie.
  3. Lassen Sie den Ball dann aus einer Höhe von einem Meter fallen. Bevor der Ball fallen gelassen wird, stellen Sie sicher, dass sich ein Maßband oder ein Meterstab sehr nahe an der Stelle befindet, an der der Ball fallen gelassen wird, damit die Höhe gemessen werden kann. Während Sie den Ball fallen lassen, wird empfohlen, das Ereignis aufzuzeichnen, damit Sie leichter feststellen können, wie hoch der Ball abprallt. Wiederholen Sie diesen Schritt dreimal und notieren Sie alle Ergebnisse.
  4. Wiederholen Sie die Schritte 1-3, aber bewahren Sie den Ball im Kühlschrank auf.
  5. Wiederholen Sie die Schritte 1-3, aber halten Sie den Ball bei Raumtemperatur.
  6. Wiederholen Sie die Schritte 1-3, aber halten Sie den Ball auf einer heißen Temperatur, ohne Feuchtigkeit darauf zu bekommen. Diesmal kann der Ball länger als 20 Minuten erhitzt werden. Dies kann erreicht werden, indem man es sehr lange in die Sonne legt oder den Ball in viele Wärmepads wickelt. Man kann auch eine Hitzeschale verwenden, um dies zu tun.
  7. Erstellen Sie ein Diagramm oder eine Tabelle, die zeigt, wie hoch die Bälle bei verschiedenen Temperaturen springen.
  8. Analysieren Sie die Daten und ziehen Sie eine Schlussfolgerung, ob die Temperatur eines Tennisballs beeinflusst, wie hoch er springt.

Variablen

Unabhängige Variablen: Temperaturen,

Abhängige Variablen: Wie hoch der Ball springt.

Regelgrößen: Kühl- / Gefrierschrank stoppt, es gibt keine Wärmequelle, die Raumtemperatur ist extrem heiß, die Videokamera hat schlechte Grafiken und man kann die aufgezeichneten Dinge nicht klar sehen, Höhe, aus der der Ball fallen gelassen wird

Datenanalyse & Diskussion

Hier sind die Daten, die vom ersten Sprung jeder Temperatur gesammelt wurden. Der erste Sprung ist normalerweise der genaueste, da sich die Temperatur schnell ändert, wenn der Ball freigelegt wird.

Hier ist eine weitere Tabelle, die die genaue Höhe zeigt, in der der Ball abprallte.

Temperatur in Grad Celsius
Höhe des Sprunges

Dies ist auch der Graph, der durch Informationen erstellt wird, die aus dem zweiten Sprung oder dem zweiten Versuch pro Temperatur gesammelt wurden.

Hier ist die Tabelle für dieses Diagramm, die die tatsächliche Höhe zeigt, in der der Ball abprallte.

Temperatur in Grad Celsius
Höhe des Sprunges

Dies ist das Diagramm, das mit Informationen erstellt wurde, die aus den letzten Bounces pro Temperatur oder dem dritten Versuch stammen.

Dies ist die Tabelle, die die Höhen zeigt, in denen der Ball abprallte.

Temperatur in Grad Celsius
Höhe des Sprunges

Wie man sehen kann, beeinflusst die Temperatur tatsächlich, wie hoch der Ball springt.

Fazit

Die Temperatur eines Tennisballs beeinflusst stark, wie hoch er springt. Je kälter, desto tiefer springt der Ball und umgekehrt. Dies liegt daran, dass die Moleküle im Inneren der Kugel, die die Hauptvariablen sind, die sie zum Abprallen bringen, sich bei Temperaturen in Masse und Energie unterscheiden. In der Hitze sind die Moleküle aktiver, so dass der Ball höher springen kann, und in der Kälte sind die Moleküle schwerer und haben weniger Energie, wodurch ein kleinerer Sprung entsteht.

Ideen für zukünftige Forschung

Für ein zukünftiges Thema zu diesem Thema würde ich gerne sehen, ob das Alter eines Tennisballs auch beeinflusst, wie er springt. Streichinstrumente sind im Alter oft besser, und Tore oder Dinge, die sich bewegen, schwingen besser, nachdem sie ständig geschwungen wurden. Viele Dinge sind im Alter besser, und ich würde gerne wissen, ob dies auch für Tennisbälle gilt.

Danksagung

Ich danke Dr. Choi, dass er mir beigebracht hat, wie man diese Aufgabe erledigt, und meinen Eltern, dass sie Tennisbälle für mich gekauft haben.

Zitierte Werke

Borlings, D. (2011). Geschichte der Tennisbälle – Wer hat den Tennisball erfunden? Abgerufen 8 24, 2012, von How 2 Tennis: http://www.how-2-tennis.com/history-of-tennis-balls.html

Harriman, D. (2012, 7 24). Die Temperatur von Tennisbällen. Abgerufen am 24. Juni 2012 von LIVESTRONG: http://www.livestrong.com/article/398740-temperatures-tennis-balls/

Incorporation, I. (2011). Ball Geschichte. Abgerufen am 24. Juni 2012 von ITF Tennis: http://www.itftennis.com/technical/equipment/balls/history.asp

Sheehan, K. (2011, März 11). Beeinflusst die Temperatur, wie hoch ein Tennisball springt? Abgerufen am 24. Juni 2012 von LIVESTRONG: http://www.livestrong.com/article/401050-does-temperature-affect-how-high-a-tennis-ball-will-bounce/

In: Wikipedia. (2012, 8 22). Tennisball. Abgerufen 8 24, 2012, von Wikipedia: http://en.wikipedia.org/wiki/Tennis_ball

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