De natuurkunde achter het meest spectaculaire bommetje tot nu toe

Het bommetje is waarschijnlijk al een bron van hilariteit sinds de ontdekking van het zwemmen. Nu is het 2016 en een onbekende bommetjesspecialist is er toch nog in geslaagd om het bommetje naar een hoger niveau te tillen. In een video laat hij zien hoe je met een een rugbybal en een middelmatige sprong in het water hoge ogen kan gooien bij je publiek.

Hij zorgt voor een interessant natuurkundig fenomeen door de bal, die hij tegen zijn lichaam houdt, precies op het juiste moment los te laten. Zonder dat de man enige kracht uitoefent op de bal, krijgt hij het voor elkaar om de rugbybal loodrecht de lucht in te sturen. Pas zes seconden na zijn sprong is de bal weer naar het aardoppervlak teruggekeerd.

Wij vroegen Andrei Schliwa, een natuurkundige aan de Technische Universiteit Berlijn, om een verklaring te geven voor dit merkwaardige fenomeen. Schliwa bekeek samen met ons het filmpje op YouTube en zijn eerste reactie was "indrukwekkend." Volgens hem zijn er weinig redenen om te geloven dat dit filmpje met trucage gemaakt is.

De natuurkundige geeft ons twee verklaringen voor het katapulteren van de rugbybal: één volgens de Wet van behoud van energie en een andere volgens de principes van impulsoverdracht.

Laten we het eerst over de Wet van behoud van energie hebben. Voordat ze in het water vallen, hebben de man en de rugbybal een potentiële energie ten opzichte van het wateroppervlak. Dit is de energie die vrij kan komen, als de man zich overgeeft aan de zwaartekracht en zich naar beneden laat vallen.

Laten we voor het gemak aannemen dat de man 100 kilogram weegt en dat ze vanaf twee meter hoogte het water in springen. Schliwa berekent dan de potentiële energie als volgt:

Massa (100 kg) * hoogte (2 m) * zwaartekrachtconstante (9,81 m/s2)

Deze energie wordt na de sprong allemaal omgezet in kinetische energie. Volgens de klassieke mechanica is de formule daarvoor:

Massa / 2 * snelheid2

Deze kinetische energie draagt de man via het water over aan de bal. "Als we ervan uitgaan dat 100 procent van deze energie wordt overgedragen, kunnen we berekenen hoe hoog de bal maximaal de lucht in kan gaan."

"Stel, de bal weeg 100 gram. Dan is de bal 1000 keer lichter dan de man en dan zou hij met de wortel van 1000 (=31,6) keer sneller uit het water schieten. De bal vliegt dan naar een hoogte van 2000 meter," berekent de natuurkundige even snel uit zijn hoofd.

In deze situatie gaan we er wel vanuit dat de energieoverdracht van de man naar de bal optimaal verloopt en dat de bal geen luchtweerstand ondervindt. "De bal gaat daadwerkelijk ongeveer 40 meter de lucht in, dus de efficiëntie van de energieoverdracht ligt rond de vier procent," schat Schliwa aan de hand van het filmpje.

Het tweede aspect, wat te maken heeft met de dynamieken van impulsoverdracht, is wat minder eenduidig te berekenen. Maar de basis is goed uit te leggen.

Zodra de man na zijn sprong met zijn rug in het water belandt, maakt hij een deuk in het water van ongeveer 50 centimeter diep. Naar mate hij verder in het water zakt, stroomt die deuk weer vol met water. Zodra het water de navel van de man bereikt laat hij de bal los en kan het water een versnelling aan de bal geven. Om te weten hoeveel dat precies is, zijn we afhankelijk van de ingewikkelde wetten van de stromingsleer. Zelf Dr. Schliwa kan slechts een voorzichtige schatting maken:

"Mijn idee was als volgt: Op het moment dat het water de navel van de man bereikt, heeft hij alle energie van de sprong aan het water overgedragen," zegt Schliwa. "Een deel van die energie gaat in de productie van een wegstromende golf zitten (dit gedeelte gaat voor de bal verloren) en het andere deel van de energie gaat in een terugstromende golf zitten. Als de golffronten elkaar in het midden (bij de bal) tegenkomen, dan kunnen de bewegingsrichtingen van de krachten maar naar één richting veranderen, namelijk naar boven."

Op dit punt drijft de bal bovenop de golf en neemt hij alle kinetische energie van het tegen elkaar slaande water over. De natuurkundige noemt dit een impulsoverdracht en ten opzichte van de massa van de bal is die erg groot. Dit heeft het maar één logisch gevolg: de bal schiet met een hoge snelheid uit het water.

Ik betwijfel op de man zich volledig bewust was van alle natuurkundige wetten toen hij zijn trucje uitvoerde. Maar zelf als hij alleen handelde op intuïtie is hij al de ware kampioen van de bommetjes. En als ik naar de reactie op YouTube kijken, krijgt hij ook genoeg erkenning voor zijn prestatie.