Натяжение создаёт возвращающую силу
Когда мяч прогибает мембрану, её поверхность удлиняется. Предварительное натяжение и дополнительное растяжение создают силы, направленные к креплениям. Их вертикальные составляющие тормозят мяч, а затем толкают его вверх. Геометрия делает эту пружину нелинейной: жёсткость меняется с прогибом.
Воздух под мембраной тоже сжимается
Если пространство снизу частично закрыто, прогиб уменьшает его объём и повышает давление. Воздух оказывает дополнительную силу на мембрану. Если он может быстро выходить через отверстия, вклад уменьшается; если поток затруднён, воздушная подушка заметнее влияет на движение.
Система имеет собственные колебательные формы
Круглая или прямоугольная мембрана колеблется не только целиком. По ней распространяются волны, возникают узлы и пучности. Удар не в центре возбуждает другой набор форм, чем центральный. Энергия, ушедшая в высокочастотные моды, может не успеть вернуться мячу до его отрыва.
Согласование времени повышает отскок
Важно, в какой фазе мембрана движется вверх, когда контакт заканчивается. При удачном сочетании массы мяча, натяжения и размеров поверхность возвращает большую долю энергии в поступательное движение. При неудачном часть запаса остаётся в дрожании после того, как мяч уже улетел.
Воздушная подушка не создаёт энергию
Мембрана и воздух могут изменить скорость и направление передачи энергии, но не производят её из ничего. Высокий отскок объясняется малым рассеянием и эффективным возвратом ранее запасённой энергии. Сравнивать поверхности нужно при одинаковой высоте падения и состоянии мяча.
Видео опыта
Исходный эксперимент и его ход можно посмотреть в ролике канала «Наука в Действии».