ボールの落下と衝突の原理
物体をある高さから落下させると、重力による位置エネルギーが運動エネルギーへと変換される。ボールが床面に衝突すると、一部のエネルギーは跳ね返り運動に利用され、残りはボールや床面の変形、振動、熱、音などに変換される。 このとき、跳ね返り高さはボールの弾性や硬さ、内部構造、衝突面の性質などによって異なる。
力学的エネルギーと反発係数
落下前の位置エネルギー（E）は、質量（m）、重力加速度（g）、落下高さ（h）を用いて次のように表される。
E=mgh
また、衝突前後の速度の比を表す反発係数（e）は、静止した床面への鉛直衝突で空気抵抗などを無視すると、落下高さ（h1）と跳ね返り高さ（h2）から次のように求められる。
𝑒=√(ℎ_2/ℎ_1 )
反発係数が１に近いほど、衝突後も高く跳ね返ることを示す。
衝突による音の発生
ボールが床面に衝突すると、ボールや床面が変形・振動し、その振動が空気中に伝わることで音が発生する。 音は空気の圧力変動として伝わり、マイクによって電気信号に変換される。録音した信号を時間に対して表示したものが音の波形である。 波形の振幅や振動の持続時間、減衰の仕方は、ボールの材質や構造、衝突面の振動特性などによって変化する。 したがって、跳ね返り高さと着地音の波形を比較することで、衝突時のエネルギーの変換や振動の特徴について検討できる。