Energieformen beim Abschuss einer Wasserflaschenrakete

Im Vergleich zu einem Space Shuttle der NASA oder der chinesischen Raumsonde Shenzhou ist eine Flaschenrakete eine relativ einfache Angelegenheit – nur eine Sodaflasche voller Wasser und Druckluft. Aber diese Einfachheit täuscht. Eine Flaschenrakete ist eigentlich eine großartige Möglichkeit, einige grundlegende Konzepte der Physik zu verstehen und darüber nachzudenken, wie verschiedene Energieformen, ihre Kraft und ihr Potenzial.

Ein Objekt hat aufgrund seiner Konfiguration oder seiner Position in einem Kraftfeld potentielle Energie. Wenn zwei positive Ladungen näher zusammenrücken, haben sie eine erhöhte potentielle Energie. Nimmt man Luft und komprimiert sie, führt dies zu Energie, und der erhöhte Druck der Druckluft ist ein Maß für ihre potentielle Energie pro Volumen. Wenn sich die Flaschenrakete öffnet, hat die Luft im Inneren einen höheren Druck als die Außenluft, so dass sie sich ausdehnt und Wasser aus der Flasche ausstößt. Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion; so drückt die nach unten gerichtete Kraft, die durch diese Expansion und Ausstoßung ausgeübt wird, die Rakete wiederum nach oben. Die in der Druckluft gespeicherte potentielle Energie wird in kinetische Energie umgewandelt.

Kinetische Energie ist die Bewegungsenergie. Ein sich bewegendes oder fallendes Objekt wie die Flaschenrakete hat kinetische Energie. Auch Moleküle und Teilchen im Inneren eines Objekts haben kinetische Energie, da sie ständig schwingen oder sich bewegen. Wenn Gasmoleküle mit der Oberfläche des sie umgebenden Materials kollidieren, üben sie darauf eine Kraft aus. Die Kraft geteilt durch die Fläche ist gleich dem Druck. Deshalb erhöht die Verringerung des Volumens eines Gases seinen Druck – die Moleküle sind auf eine kleinere Fläche beschränkt, aber ihre durchschnittliche kinetische Energie hat sich nicht geändert, so dass die Kraft, die sie auf das Material um sie herum ausüben, zunimmt.

Wenn Ihre Rakete aufsteigt, wird die kinetische Energie der Bewegung in potentielle Gravitationsenergie umgewandelt. Die Rakete entfernt sich weiter von der Erdoberfläche, so wie sich eine negative und eine positive Ladung bewegt voneinander entfernt, hat die Rakete eine höhere potentielle Gravitationsenergie, wenn sie weiter von der Boden. Wenn die Schwerkraft an ihm zieht, nimmt seine Geschwindigkeit ab, bis er einen Punkt erreicht, an dem die gesamte kinetische Energie in potentielle Gravitationsenergie umgewandelt wurde. An diesem Punkt beginnt die Rakete zu fallen.

Wenn die Flaschenrakete fällt, wandelt sich die potentielle Gravitationsenergie in kinetische Energie um und die Geschwindigkeit der Flaschenrakete nimmt schnell zu. Schließlich trifft es auf den Boden, wo sich seine kinetische Energie als zufällige Bewegung von Molekülen in der Fahrbahn verflüchtigt – also als Wärme.

Sie werden vielleicht feststellen, dass während des Auf- und Abstiegs der Flaschenrakete keine Energie "verschwindet" - alle Energie wandelt sich entweder von einer Form in eine andere um oder ändert sich von Hitze in Reibung und Luftwiderstand. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann; es wechselt lediglich von einer Form in eine andere.