Elastične lastnosti vodnega balona

Večina vodnih balonov je narejena iz gume oziroma lateksa, ki ga uvrščamo med elastomere – elastični polimeri.

Takšni materiali imajo majhen modul elastičnosti (Youngov modul) – količina, ki je definirana kot razmerje med silo na enoto preseka in relativnim raztezkom v Hookovem zakonu:

${F \over S}=E{\Delta l \over L}$

Označimo ga z črko E in ga lahko definiramo tudi kot: $E=2 \mu (1+ \sigma)$ Kjer je μ - strižni modul (razmerje med strižno napetostjo in strižno deformacijo) ter σ - Poissonovo razmerje (razmerje med relativnim prečnim skrčkom in relativnim vzdolžnim podaljškom).Tipična vrednost za gumo je približno E = 0.1 GPa

Guma pa ima tudi relativno visoko mejo raztezne elastičnosti (ko se guma več ne vrne v prvotno stanje – ko preneha veljati Hookov zakon) in relativno visoko mejo raztezne trdnosti (ko se guma pretrga). To pomeni, da ima guma sposobnost absorbirati veliko energije (ki se v notranjosti gume pretvori notranjo energijo) pri elastični deformaciji.

Torej guma lahko doseže veliko raztezno razmerje (angl. "stretch ratio") - razmerje med dolžino pri deformaciji in dolžino v začetnem (nedeformiranem) stanju: $\lambda = {l \over L}$ Guma lahko doseže vrednost tudi do λ = 4 preden se pretrga.

Zanimiva lastnost gume pa je tudi ta, da se pri segrevanju skrči, pri ohlajanju pa razteza.

Vplivi na deformacijo

Če vodni balon spustimo iz neke začetne višine, se začetna potencialna energija pri tleh pretvori v kinetično energijo vode, ta pa se pretvori v prožnostno energijo (skoraj v celoti če balon ne poči, in delno, če balon poči, ker v tem primeru nekaj kinetične energije ostane za razlitje vode), nekaj pa tudi v notranjo energijo. Zapišemo ohranitveni zakon energije od časa spusta do poka (ali odboja) balona:

$\Delta W_p=\Delta W_k + \Delta W_{pr} + \Delta W_n$

Do deformacije vodnega balona pride pri delovanju zunanjih sil na površino balona, ki povzročijo povečanje pritiska vode na stene balona, kar povzroči raztezanje gume in nazadnje tudi pok balona. S kakšno povprečno silo deluje podlaga na stene balona pri trku, dobimo iz izreka o gibalni količini, če določimo časovni interval zaustavljanja vodnega balona. Torej je sunek sile pri trku enak:

$G_{končna}+G_{začetna}= \int Fdt$

Vendar je sila, določena na tak način, precejšen približek, saj je trk balona daleč od idealno prožnega trka.