Der Impuls ist eine der zuverlässigsten Ideen der Physik: In einem geschlossenen System ist der Gesamtimpuls vor einer Wechselwirkung immer gleich dem Gesamtimpuls danach, egal wie Objekte kollidieren, abprallen oder zusammenkleben. Mit dieser einzigen Regel – der Impulserhaltung – können Sie den Ausgang einer Kollision vorhersagen, ohne etwas über die beim Aufprall selbst wirkenden Kräfte zu wissen.
Welche Dynamik misst
Der Impuls (p = mv) kombiniert, wie viel Masse sich bewegt und wie schnell sie sich bewegt. Ein schwerer Lastwagen, der über einen Parkplatz kriecht, und ein leichtes Fahrrad, das einen Hügel hinunterfliegt, können einen ähnlichen Schwung haben, auch wenn ihre Geschwindigkeiten völlig unterschiedlich sind – Masse und Geschwindigkeit wirken sich gegenseitig aus. Da die Geschwindigkeit ein Vektor ist, ist es auch der Impuls: Zwei Objekte gleicher Masse und Geschwindigkeit, die sich aufeinander zu bewegen, haben einen Impuls, der in entgegengesetzte Richtungen zeigt, und ihre Impulse können sich bei Kombination teilweise oder vollständig aufheben.
Warum sich die Gesamtdynamik nicht ändert
Newtons drittes Gesetz besagt, dass jede Kraft eine gleiche und entgegengesetzte Reaktionskraft hat. Während einer Kollision übt Objekt B unabhängig von der Kraft, die Objekt A auf Objekt B ausübt, für genau die gleiche Zeitspanne genau die entgegengesetzte Kraft auf A aus. Diese Kräfte verändern den Impuls jedes Objekts um gleiche und entgegengesetzte Beträge, sodass sich der Gesamtimpuls des Systems – die Summe der Impulse beider Objekte – nie ändert, unabhängig davon, wie kompliziert oder heftig die Kollision ist. Dies gilt unabhängig davon, ob die Kollision elastisch (federnd, kinetische Energie bleibt erhalten) oder unelastisch (Objekte verformen oder haften aneinander, kinetische Energie geht an Wärme und Schall verloren) erfolgt.
Vollkommen unelastische Kollisionen
Die am einfachsten zu analysierende Kollision ist eine vollkommen unelastische Kollision, bei der die beiden Objekte anschließend zusammenkleben und sich als eine einzige kombinierte Masse bewegen. Da sie sich gemeinsam bewegen, teilen sie eine gemeinsame Geschwindigkeit – ermittelt durch Division des Gesamtimpulses vor der Kollision durch die Gesamtmasse beider Objekte. Dies ist genau das, was Autounfallanalytiker, Ballistikermittler und Physikstudenten nutzen, um anhand von Vorher-Nachher-Messungen zu rekonstruieren, was bei einem Aufprall passiert ist, ohne die verwirrenden Details der Kräfte während des Zusammenstoßes selbst kennen zu müssen.