Zabawka składa się z kilku stalowych kulek zawieszonych na
dwóch żyłkach w ten sposób, że wszystkie kulki stykają się wzdłuż
wspólnej poziomej osi i mogą kołysać się w płaszczyźnie pionowej
zawierającej tę oś.
Spróbujmy poeksperymentować z wahadłem odchylając jedną, dwie
i więcej kulek pozwalając zderzać się ze spoczywającymi.
Wahadło Newtona nadaje się szczególnie do
pół-ilościowej analizy właściwości zderzeń i bardzo poglądowego
przedstawienia zasady
zachowania energii i pędu.
Rozpatrzymy tutaj szczegółowo trzy szczególne przypadki.
1. Zderzenie dwóch kul
Podnosimy kulkę trzymając napięte żyłki, po czym puszczamy
pozwalając uderzyć jej w drugą kulkę będącą w spoczynku: można
zaobserwować, że pierwsza kulka zatrzymuje się podczas zderzenia, a
druga jest odbijana i osiąga tą samą wysokość z jakiej puszczona
była pierwsza. Opadając druga kulka uderza ponownie pierwszą, która
znowu znajduje się w położeniu początkowym. Aby zrozumieć co się
stało musimy zacząć od dwóch wstępnych założeń: a) z powodu sposobu
zawieszenia kulek ich droga jest ustalona, więc zderzenia są
centralne; b) zderzenia są prawie doskonale sprężyste. W takim
przypadku prawa fizyki pozwalają nam na napisanie prostych związków
opisujących szybkość kulki przed i po zderzeniu, przez założenie że
energia kinetyczna i pęd całego układu są zachowane.
Bez wchodzenia w szczegóły rachunkowe rezultaty dowodzą, że podczas
zderzenia zawieszone kulki zmieniają swoją prędkość: jedna
zatrzymuje się, podczas gdy druga nabiera takiej samej prędkości
jaką pierwsza miała tuż przed zderzeniem.
2. Zderzenie trzech kulek (przypadek pierwszy)
Rozpatrzmy zderzenie trzech kulek, gdy jedna z nich uderza a
pozostałe są w spoczynku. Po zderzeniu tylko ostatnia w rzędzie
porusza się do góry i osiąga tę samą wysokość, z której rozpoczęła
swój ruch pierwsza kulka. Gdy kulki są w minimalnej odlegości od
siebie, możemy interpretować wynik jako nastepujące sekwencyjnie
zderzenia. Istnieje możliwość aby użyć przykładu zderzenia pomiędzy
dwiema kulkami aby zrozumieć co się stało: po prostu obserwujemy
zmiany prędkosci między pierwszą i drugą kulką oraz dokładnie w ten
sam sposób między drugą i trzecią.
3. Zderzenie trzech kulek (przypadek drugi)
Podnosimy dwie kulki po tej samej stronie, np. po lewej,
puszczamy je i pozwalamy uderzyć w trzecią znajdującą się w
spoczynku. Możemy zaobserwować, że jedna z puszczonych kulek
(zewnętrzna) zatrzymuje się, podczas gdy druga, porusza się dalej
razem z kulką będącą wcześniej w spoczynku. Co więcej, te dwie kulki
osiągają tę samą wysokość z jakiej była puszczona na początku para.
Także ten wynik może być wyjaśniony jako zderzenie zachodzące
sekwencyjnie: kula pierwsza z prawej uderza tę będącą w spoczynku, w
ten sposób zmieniają one swoje prędkości; następnie druga z
puszczonych kul uderza centrealnie pierwszą, teraz będącą w
spoczynku, i odrzuca ją z tą samą prędkością. Wszystko zachodzi w
tak krótkim czasie, że kulki wyglądają tak, jakby wszytkie poruszały
się jednocześnie.
Teraz możemy rozpatrzyć całą zabawkę z wszystkimi pięcioma kulkami i
obserwować szeroki wachlarz ruchów. Zauważymy dziwne i zachwycające
trajektorie, przekraczające naszą wyobraźnię!