NASAn avaruussukkulaan tai Kiinan Shenzhou-avaruusalukseen verrattuna pullo-raketti on suhteellisen yksinkertainen asia - vain soodapullo, joka on täynnä vettä ja paineilmaa. Mutta tämä yksinkertaisuus on petollista. Pulloraketti on todella hyvä tapa ymmärtää ja ajatella joitain fysiikan peruskäsitteitä, kuten energian eri muodot, voima ja potentiaali.
Mahdollinen energia
Kohteella on potentiaalienergiaa sen kokoonpanon tai sijainnin perusteella voimakentässä. Jos kaksi positiivista varausta siirtyy lähemmäksi toisiaan, niillä on lisääntynyt potentiaalinen energia. Jos otat ilmaa ja puristat sitä, tämä syöttää energiaa, ja paineilman kohonnut paine mittaa sen potentiaalista energiaa tilavuutta kohti. Kun pulloraketti avautuu, sisäilman paine on suurempi kuin ulkoilman, joten se laajenee ja ajaa vettä pullosta. Jokaiselle toiminnalle on sama ja vastakkainen reaktio; niin tämän laajenemisen ja karkottamisen aiheuttama alaspäin suuntautuva voima puolestaan työntää rakettia ylöspäin. Paineilmaan varastoitu potentiaalinen energia muuttuu kineettiseksi energiaksi.
Kineettinen energia
Kineettinen energia on liikkeen energia. Pulloraketin kaltaisella liikkuvalla tai putoavalla esineellä on kineettistä energiaa. Objektin sisällä olevilla molekyyleillä ja hiukkasilla on myös liike-energia, koska ne värisevät tai liikkuvat jatkuvasti. Kun kaasumolekyylit törmäävät niitä rajoittavan materiaalin pintaan, ne kohdistavat voimaa siihen. Alueella jaettu voima on yhtä suuri kuin paine. Siksi kaasun tilavuuden pienentäminen lisää sen painetta - molekyylit rajoittuvat pienemmälle alueelle, mutta niiden keskimääräinen kineettinen energia ei ole muuttunut, joten heidän ympärillään olevaan materiaaliin kohdistama voima kasvaa.
Gravitaatiopotentiaalienergia
Raketin noustessa liikkeen kineettinen energia muuttuu gravitaatiopotentiaaliksi. Raketti liikkuu kauempana maapallon pinnasta, joten aivan kuten negatiivinen ja positiivinen varaus liikkui kaukana toisistaan, raketilla on suurempi painovoiman potentiaalienergia, kun se kiipeää kauemmas maahan. Kun painovoima vetää sitä, sen nopeus pienenee, kunnes se saavuttaa pisteen, jossa kaikki kineettinen energia on muunnettu painovoiman potentiaalienergiaksi. Tässä vaiheessa raketti alkaa pudota.
Putoaminen maan päälle
Kun pulloraketti putoaa, gravitaatiopotentiaalienergia muuttuu kineettiseksi energiaksi ja pulloraketin nopeus kasvaa nopeasti. Lopulta se iskeytyy maahan, jossa sen kineettinen energia hajoaa molekyylien satunnaisliikkeenä jalkakäytävässä - toisin sanoen lämpönä.
Saatat huomata, että pulloraketin nousun ja laskun aikana mikään energia "ei häviä" - kaikki energia joko muuttuu muodosta toiseen tai muuttuu lämmöstä kitkaksi ja ilmanvastukseksi. Termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan energiaa ei voida luoda eikä tuhota; se vain muuttuu muodosta toiseen.
