Beim Billard fliegt eine Kugel gegen eine andere und plötzlich rollen beide in verschiedene Richtungen weiter. Warum? Und warum tut weh, wenn man gegen eine Wand läuft, obwohl man nur langsam ging? Die Antwort liegt im Impuls – und der ist viel wichtiger, als die meisten Schüler denken.
Was ist der Impuls?
Der Impuls p ist das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit: p = m × v. Die Einheit ist kg·m/s. Anders als die Energie ist der Impuls eine vektorielle Größe – er hat eine Richtung. Das merkt man sofort, wenn man versteht, warum ein Ball, der von einer Mauer zurückprallt, eine andere Richtung hat als vorher.
Ein schweres-auto, das langsam fährt, kann den gleichen Impuls haben wie ein leichtes Motorrad, das schnell fährt. Deshalb ist es auch so gefährlich, wenn Lkw in Unfälle verwickelt sind – ihre Masse ist hoch, selbst bei niedriger Geschwindigkeit.
Bei Verkehrsunfällen zählt nicht nur die Geschwindigkeit, sondern vor allem der Impuls – deshalb sind Lkw so gefährlich.
Der Impulserhaltungssatz
In einem abgeschlossenen System bleibt die Summe aller Impulse erhalten. Das ist der Impulserhaltungssatz. Ohne äußere Kräfte ändert sich die Gesamtbewegungsgröße nicht. Das ist der Grund, warum Raketen im Vakuum fliegen können und warum Rückstoß funktioniert.
Stell dir zwei Menschen auf Rollschuhen vor, die sich gegenseitig anstoßen. Wenn Thomas (80 kg) nach rechts rollt mit 3 m/s und Sarah (60 kg) nach links mit 4 m/s, dann bleibt die Summe der Impulse gleich – auch wenn beide danach in andere Richtungen weiterrollen.
Elastische und unelastische Stöße
Bei einem elastischen Stoß bleiben beide Körper nach dem Zusammenstoß erhalten – sie prallen quasi ab. Die kinetische Energie wird nicht in andere Energieformen umgewandelt. Billardkugeln sind ein gutes Beispiel: Nach dem Stoß rollen beide weiter, wenn auch mit anderen Geschwindigkeiten.
Bei einem unelastischen Stoß verformt sich mindestens ein Körper, und kinetische Energie wird in innere Energie (Wärme, Verformung) umgewandelt. Zwei Autos, die ineinanderkrachen und zusammenkleben, sind ein extremes Beispiel. Der Impuls bleibt erhalten, aber ein Teil der Bewegungsenergie geht "verloren".
Crashtests zeigen: Bei unelastischen Stößen wird kinetische Energie in Verformungsarbeit umgewandelt.
Warum ist das Thema wichtig?
Impuls und Stoß begegnen uns ständig: Beim Fußball (der Ball wird geschossen, ändert seine Richtung), beim Tennis (der Schläger überträgt Impuls auf den Ball), beim Airbag (der Airbag verlängert die Zeit des Aufpralls und reduziert so die Kraft). Sogar beim Händegeben nach einem guten Spiel!
Ein Airbag funktioniert übrigens nach dem Prinzip der Impulserhaltung und Kraftstoß. Die Zeit, in der der Aufprall abgefangen wird, verlängert sich – und damit sinkt die Kraft. Deshalb tut es weniger weh.
Häufige Fragen
Was ist der Unterschied zwischen Energie und Impuls?
Energie ist eine skalare Größe (nur Betrag, keine Richtung), Impuls ist eine vektorielle Größe (Betrag und Richtung). Zwei Körper mit gleichem Impuls können sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen und sich gegenseitig aufheben – bei der Energie geht das nicht. Außerdem bleibt bei einem unelastischen Stoß der Impuls erhalten, aber die kinetische Energie nicht.
Warum ist der Impuls bei einem Unfall so gefährlich?
Weil der Impuls = Masse × Geschwindigkeit ist. Ein Lkw mit 40 Tonnen, der mit 50 km/h fährt, hat einen gewaltigen Impuls. Um ihn aufzuhalten, braucht man eine riesige Kraft oder einen langen Bremsweg. Deshalb sind Auffahrunfälle auf Lkw so katastrophal für Pkw-Insassen.
Was hat der Impuls mit Rückstoß zu tun?
Rückstoß folgt direkt aus der Impulserhaltung. Wenn eine Rakete Gase nach hinten ausstößt, hat das Gas einen bestimmten Impuls nach hinten. Damit die Gesamtsumme null bleibt (oder den Anfangswert behält), muss die Rakete einen gleich großen Impuls nach vorne bekommen. Deshalb fliegt sie vorwärts.