Не усложняйте себе жизнь. Правильно подобраная гоолова/резинка поршня вместе с поршнем плавно опускается в вертикально поставленый цилиндр (противоположная сторона цилиндра открыта) и останавливается если закрыть цилиндр, т.е. дает компрессию в самом начале движения.
Чтобы формализовать такую задачу нужно сначала сформулировать самый простой вариант и далее поэтапно усложнять и проверять. Например попробовать рассчитать скорость вылета шара и сравнить с фактическим измеренным значением детализируя задачу пока погрешность будет приемлемой. Возможно все будет гораздо проще и углубляться в супертонкости о которых вы писали не придется.