Billard mathematischer Beweis (schwierig)

Liebe Mathegenies.

in einer diskussion mit meinem Billardkumpel ist mir ein kniffliges mathematisches Problem untergekommen, und ich weiß nicht wie ich das angehen sollte. Vorweg ich bin kein Mathematiker, und brauch auch keine fertige Formel, sondern ich will nachvollziehen wie und ob man das Problem lösen kann.
Ich gehe von einem „idealen“ Billardtisch, ohne Reibung und erstmal auch ohne Spin aus, mit perfektem elastischen Stoß.

Frage:
Ist es auf jeder erdenklichen Konstellation der 15 + 1 Kugeln auf dem Feld möglich, mit einem einzigen gezielten Stoß der Weißen Kugel, alle Kugeln zu versenken? Auch indirekt darf sein, also die 8er darf die 5er einlochen.

Soviel hab ich mal durch probieren rausbekommen:
Hat man nur die weiße und eine andere Kugel auf dem Tisch, kann man diese immer versenken, und wenn sie nicht gerade vor einem Loch liegt, kann sie auch in jedem beliebigen(!) Loch versenkt werden.

Außerdem gibt es mit Einbezug aller Banden, Doppelbanden, Dreifachbanden mehrere Möglichkeiten, die farbige Kugel in ein und dasselbe Loch zu versenken (endlich?).

Ergo hat man für 2 Kugeln:

  • 8 „Zusammenstoßwinkel“ der weißen und bunten(pro Zielloch eines)
    -> 8x 4 Anstoßwinkel für Bandenschuss der Weißen Kugel
  • 8x 6 Anstoßwinkel für Doppelbandenschuss der Weißen Kugel
  • …idem für Dreifachbande
    dazu kommt noch:
  • Einfacher Anstoß, die Bunte auf die Doppelbande
  • Doppelbandenschuss, die Bunte auf die Doppelbande
    … idem mit Dreifachbande

ergo hat man so an die 100-200 unterschiedliche Anstoßmöglichkeiten um eine einzelne bunte Kugel einzulochen (und davon sind Kleinstabweichungen ausgeschlossen)

Wie ich jetzt weitermachen soll, und ob mir das was hilft, hab ich keine Ahnung.
Ich hoffe ihr habt ein paar ideen, wie man sowas lösen könnte. Am liebsten, wär mir ein einfacher Gegenbeweis durch ein Beispiel…ich hab aber noch kein glaubwürdiges gefunden.

Merci

Hallo,

folgende Ideen sind mir zum Billiardtisch-Problem gekommen. Eventuell ist es einfacher, eine Rückwärts-Analyse durchzuführen:

Am Anfang ist der Tisch leer und aus den Löchern werden die Kugeln zu frei wählbaren Zeipunkten in freiwählbare Richtungen mit einer freiwählbaren Geschwindigkeit „abgeschossen“. Die erste Kugel trifft auf die Zweite, die eine bleibt liegen, die andere rollt weiter, und so fort, bis alle Kugeln ihre vorgegebene Zielposition erreicht haben. Die weisse Kugel ist die einzige Kugel, die sich am Ende bewegt und die gesammte kinetische Energie auf sich vereint. Sie wird dann mit dem Queue gestoppt.

Die erste Frage ist natürlich, ob es möglich ist, eine bewegte Kugel mit Hilfe einer Zweiten zum Stillstand zu bringen, wobei beide Kugeln in verschiedene Richtungen laufen? Hab gerade keinen Billiardtisch, um das zu testen :smile:

Jetzt müßte man sich noch überlegen, ob man immer eine Richtung/Geschwindigkeit der nächsten Kugel angeben kann, um das Gewünschte zu erreichen …

Das Ganze läßt sich dann in einer vollständige Induktion verwenden. Hierfür wird eine Invariante benötigt, die vor und nach einem Schritt gültigt ist, z.B. „Es liegen n Kugeln still auf dem Tisch, eine bewegt sich in eine beliebige Richtung“. Unter dieser Annahme weist man nach, dass eine neue still-liegende Kugel hinzugefügt werden kann, so dass hinterher n+1 Kugel still liegen und eine sich bewegt.

Das Problem mit der Invariante wird die beliebige Richtung sein, da bei Richtung parallel zum Tisch ja die Kugel z.B. zwischen den beiden Seitenwänden hin und her pendelt und es unmöglich wird, an einer beliebigen Position eine neue hinzuzufügen. Evt. muss man hier annehmen, dass die Kugel auf einer Flugbahn ist, die alle Punkte des Tisches besucht. Dann muss man natürlich auch dafür sogen, dass nach dem Hinzufügen-Schritt wieder so eine Flugbahn hergestellt wird. (Gibt es so eine Flugbahn überhaupt?)

Ein weiteres Problem ist natürlich, dass die bewegte Kugel nicht auf bereits platzierte Kugeln treffen darf. Evt. hilft es hier, die Kugeln als Punktförmig, also ohne Ausdehnung, anzunehmen.

Hoffe, dass Dir die Ansätze weiterhelfen, und Dich auf weitere Ideen bringen …

Viele Grüße
Thorsten

Eventuell ist es einfacher, eine Rückwärts-Analyse
durchzuführen:

Tolle Idee, könnte das ganze übersichtlicher machen, allerding bin ich mir nicht sicher, ob es wirklich was hilft.

Die erste Frage ist natürlich, ob es möglich ist, eine bewegte
Kugel mit Hilfe einer Zweiten zum Stillstand zu bringen, wobei
beide Kugeln in verschiedene Richtungen laufen?

Das geht nur in einem Fall: Zentraler Zusammenstoß der Kugel. Dann wird der Gesamtimpuls Übertragen mit selber Richtung. Trifft man allerdings Schräg wird nur ein Teilimpuls übertragen und der Ausfallswinkel ist der negative Einfallswinkel. Trifft die Weiße „tangental“ (also seitlich berührend), dann wäre der Winkel 90°, allerdings erhält sie keinen Impuls und bleibt somit stehen, während die Weiße gerade weiterrollt.

Jetzt müßte man sich noch überlegen, ob man immer eine
Richtung/Geschwindigkeit der nächsten Kugel angeben kann, um
das Gewünschte zu erreichen …

Ja, man kann die Kugel in jede Richtung schießen, allerdings hängt der Winkel der anderen Kugel damit wieder zusammen.

Das Ganze läßt sich dann in einer vollständige Induktion
verwenden. Hierfür wird eine Invariante benötigt, die vor und
nach einem Schritt gültigt ist, z.B. „Es liegen n Kugeln still
auf dem Tisch, eine bewegt sich in eine beliebige Richtung“.
Unter dieser Annahme weist man nach, dass eine neue
still-liegende Kugel hinzugefügt werden kann, so dass
hinterher n+1 Kugel still liegen und eine sich bewegt.

Das Problem mit der Invariante wird die beliebige Richtung
sein, da bei Richtung parallel zum Tisch ja die Kugel z.B.
zwischen den beiden Seitenwänden hin und her pendelt und es
unmöglich wird, an einer beliebigen Position eine neue
hinzuzufügen. Evt. muss man hier annehmen, dass die Kugel auf
einer Flugbahn ist, die alle Punkte des Tisches besucht. Dann
muss man natürlich auch dafür sogen, dass nach dem
Hinzufügen-Schritt wieder so eine Flugbahn hergestellt wird.
(Gibt es so eine Flugbahn überhaupt?)

Ich verstehe das mit den „schritten“ nicht so ganz, und auch die Invariante nicht. Das problem mit der periodischen Flugbahn ist mir aber auch aufgefallen.
Ich weiß nicht ob es eine solche Flugbahn gibt, die alle Punkte berührt, aber es müsste auf jedem fall eine unendliche Flugbahn sein…da es ja unendlich viele Punkte gibt - es sei denn man hat irgend ein Raster.

Ein weiteres Problem ist natürlich, dass die bewegte Kugel
nicht auf bereits platzierte Kugeln treffen darf. Evt. hilft
es hier, die Kugeln als Punktförmig, also ohne Ausdehnung,
anzunehmen.

Bei punktförmigen Kugeln hat man wiederum das Problem, dass man keine Ausfallwinkel beim zusammenstoß mehr hat…

Hoffe, dass Dir die Ansätze weiterhelfen, und Dich auf weitere
Ideen bringen …

Ich bin so schlau als wie zu vor :smile:
Trotzdem Danke, das ganze als rückwärtslaufenden Film zu betrachten, könnte was nützen.
Allerdings weiß ich immer noch nicht wie ich dann weiter machen soll.

Ist das Problem wirklich so komplex? Ich dachte ein Profi-Mathematiker hat da ruck-zuck was q.e.d.- artiges stehen…

Die erste Frage ist natürlich, ob es möglich ist, eine bewegte
Kugel mit Hilfe einer Zweiten zum Stillstand zu bringen, wobei
beide Kugeln in verschiedene Richtungen laufen?

Das geht nur in einem Fall: Zentraler Zusammenstoß der Kugel.
Dann wird der Gesamtimpuls Übertragen mit selber Richtung.
Trifft man allerdings Schräg wird nur ein Teilimpuls
übertragen und der Ausfallswinkel ist der negative
Einfallswinkel. Trifft die Weiße „tangental“ (also seitlich
berührend), dann wäre der Winkel 90°, allerdings erhält sie
keinen Impuls und bleibt somit stehen, während die Weiße
gerade weiterrollt.

Wir haben allerdings die Nebenbedingung, dass eine Kugel hinter her steht, da ja die Zeit rückswärts läuft.

Jetzt müßte man sich noch überlegen, ob man immer eine
Richtung/Geschwindigkeit der nächsten Kugel angeben kann, um
das Gewünschte zu erreichen …

Ja, man kann die Kugel in jede Richtung schießen, allerdings
hängt der Winkel der anderen Kugel damit wieder zusammen.

Hab gerade gelesen, dass bei Stoß auf eine ruhende Kugel beide im 90 Grad Winkel auseinander laufen. Da die Zeit rückwärts läuft, besteht dann die zusätzliche Einschränkung, dass immer rechtwinklig zur bewegten Kugel gefeuert werden muss. Das ist irgendwie eine haarige Einschrankung, da ja zusätzlich auch in Richtung einer Zielposition gefeuert werden muss.

Bei punktförmigen Kugeln hat man wiederum das Problem, dass
man keine Ausfallwinkel beim zusammenstoß mehr hat…

Stimmt auch wieder. Wenn man allerdings einen allgemeinen Beweis hätte, dann gilt der ruck zuck für unendlich viele Kugeln. Das Volumnen der Kugeln wird dann zum Problem …

Hoffe, dass Dir die Ansätze weiterhelfen, und Dich auf weitere
Ideen bringen …

Ich bin so schlau als wie zu vor :smile:
Trotzdem Danke, das ganze als rückwärtslaufenden Film zu
betrachten, könnte was nützen.
Allerdings weiß ich immer noch nicht wie ich dann weiter
machen soll.

Ist das Problem wirklich so komplex? Ich dachte ein
Profi-Mathematiker hat da ruck-zuck was q.e.d.- artiges
stehen…

Sieht irgendwie komplex aus …

Bin allerding auch nur’n Informatiker :smile:

Meine Vermutung geht jetzt eher in die Richtung, dass es nicht geht,
da der Queue nur 2 Freiheitsgrade hat: Richtung und Geschwindigkeit.
Da nach dem Stoß ja alles automatisch abläuft und die 15 Kugeln viele Freiheitsgrade erlauben, würd ich vermuten, dass es im Allgemeinen nicht geht.

Viele Grüße
Thorsten