Formas de energía al lanzar un cohete de botella de agua

En comparación con un transbordador espacial de la NASA o la nave espacial Shenzhou de China, un cohete de botella es un asunto relativamente simple: solo una botella de refresco llena de agua y aire comprimido. Pero esa sencillez es engañosa. Un cohete de botella es en realidad una excelente manera de comprender y pensar en algunos conceptos básicos de la física, como diferentes formas de energía, su fuerza y ​​potencial.

Un objeto tiene energía potencial en virtud de su configuración o su posición en un campo de fuerza. Si dos cargas positivas se acercan, tienen mayor energía potencial. Si toma aire y lo comprime, este ingresa energía, y el aumento de presión del aire comprimido es una medida de su energía potencial por volumen. Cuando el cohete de la botella se destapa, el aire del interior tiene mayor presión que el aire exterior, por lo que se expande y expulsa el agua de la botella. Para cada acción, hay una reacción igual y opuesta; de modo que la fuerza descendente ejercida por esta expansión y expulsión empuja a su vez el cohete hacia arriba. La energía potencial almacenada en el aire comprimido se traduce en energía cinética.

La energía cinética es la energía del movimiento. Un objeto en movimiento o en caída, como la botella, tiene energía cinética. Las moléculas y partículas dentro de un objeto también tienen energía cinética, porque vibran o se mueven constantemente. Cuando las moléculas de gas chocan con la superficie del material que las confina, ejercen fuerza sobre él. La fuerza dividida por el área es igual a la presión. Es por eso que reducir el volumen de un gas aumenta su presión: las moléculas están confinadas a un área más pequeña, pero su energía cinética promedio no ha cambiado, por lo que la fuerza que ejercen sobre el material que los rodea aumenta.

A medida que su cohete se eleva, la energía cinética del movimiento se traduce en energía potencial gravitacional. El cohete se está alejando más de la superficie de la Tierra, así como una carga negativa y positiva se movió alejados unos de otros, el cohete tiene mayor energía potencial gravitacional a medida que asciende más lejos del suelo. A medida que la gravedad tira de él, su velocidad disminuye hasta que alcanza un punto en el que toda la energía cinética se ha transformado en energía potencial gravitacional. En este punto, el cohete comienza a caer.

A medida que cae el cohete de la botella, la energía potencial gravitacional se transforma en energía cinética y la velocidad del cohete de la botella aumenta rápidamente. Finalmente, golpea el suelo, donde su energía cinética se disipa como un movimiento aleatorio de moléculas en el pavimento, en otras palabras, como calor.

Puede notar que durante el ascenso y la caída del cohete de la botella, ninguna energía "desaparece": toda la energía se transforma de una forma a otra o cambia del calor a la fricción y la resistencia del aire. La primera ley de la termodinámica sostiene que la energía no se puede crear ni destruir; simplemente cambia de una forma a otra.