🎾Tennis - Die Technik ist entscheidend.🎾

Kraftstoß ⮕ Impuls / Drehmoment ⮕ Drehimpuls

Der Impuls des Tennisballs wird durch den Kraftstoß der Schlagfläche auf den Tennisball geändert. Der Drehimpuls des Tennisballs wird durch ein von der Schlagfläche erzeugtes Drehmoment geändert. Impuls und Drehimpuls sind physikalische Erhaltungsgrößen.

1a) Kraftstoß
Der Tennisball trifft mit einer bestimmten Geschwindigkeit und damit mit einem bestimmten Impuls (Masse ⋅ Geschwindigkeit) auf die Schlagfläche. Im Treffpunkt wird über eine sehr kurze Zeit (4 ms) eine Kraft über die Schlagfläche auf den Tennisball ausgeübt. Die zeitliche Wirkung der Kraft auf den Ball kennzeichnet den Kraftstoß. Der Kraftstoß ist mit einer Änderung der Geschwindigkeit des Balls und damit mit der Impulsänderung verbunden.

YouTube-Video: Kraftstoß beim Aufschlag: Aufschlaggeschwindigkeit von 229 km/h.

Die Formel für den Kraftstoß (I) lautet:

I = F⋅Δt = m⋅Δv = Δp

Erklärung der Größen:

• I ist der Kraftstoß in [N⋅s],
• F ist die wirkende Kraft in [N] = [kg m/s²]
mit F = m ·a = Masse · Beschleunigung, m in [kg] und a in [m/s²],
• Δt ist die Zeitdauer der Einwirkung in [s],
• m ist die Masse des Balls in [kg],
• Δv ist die Geschwindigkeitsänderung des Balls in [m/s] und
• Δp ist die Impulsänderung des Balls in [kg ⋅m/s].

1b) Der Impuls des Tennisballs
Der Impuls des Tennisballs wird durch einen Kraftstoß mit der Schlagfläche geändert. Der Impuls ist eine Größe, die den Bewegungszustand eines Körpers unter Einbeziehung seiner Masse beschreibt. Der Impuls wird auch als Wucht oder als Schwing bezeichnet. Der Impuls ist eine Erhaltungsgröße. Das heißt, dass der Impuls in einem abgeschlossenen System erhalten bzw. konstant bleibt. Als abgeschlossenes System wird ein physikalisches System bezeichnet, welches mit seiner Umgebung nicht wechselwirkt, also mit seiner Umgebung keine Energie und/oder Masse austauscht.

Der Tennisplatz mit seiner Umgebung ist kein abgeschlossenes System. Im Fug, unmittelbar nach dem Verlassen des Balls von der Schlagfläche, verringert sich die Ballgeschwindigkeit und dadurch der Impuls des Balls.

Die Formel für den Impuls (p) lautet:

p = m⋅v

Erklärung der Größen:

• p ist der Impuls des Tennisballs in [kg ·m)/s],
• m ist die Masse des Balls in [kg] und
• v ist die Geschwindigkeit des Balls in [m/s].

Die Masse des Tennisballs während des Flugs konstant. Das durchschnittliche Gewicht des Tennisballs beträgt 57 g. Die Größen Geschwindigkeit und Impuls sind direkt proportional.

Die Formel wird für den Impuls vereinfacht dargestellt:

p = 0,057 kg ⋅ v

Unmittelbar nach dem Verlassen der Schlagfläche erreicht der Ball die maximale Geschwindigkeit.

Die Geschwindigkeit ist eine dreidimensionale Größe. Bezogen auf ein Koordinatensystem hat die Geschwindigkeit eine x, y, z-Komponente. Um die Größen zu beschreiben, wird als Bezugspunkt die Position des Tennisspielers beim Schlag gewählt.

Die Geschwindigkeit lässt sich in einen Vorwärtsgeschwindigkeitsanteil, einen Horizontalgeschwindigkeitsanteil und einen Vertikalgeschwindigkeitsanteil aufteilen. Die resultierende Geschwindigkeit, resultierend aus den drei Komponenten, wird auch 3D-Geschwindigkeit genannt.