Comparée à une navette spatiale de la NASA ou au vaisseau spatial chinois Shenzhou, une fusée bouteille est une affaire relativement simple - juste une bouteille de soda remplie d'eau et d'air comprimé. Mais cette simplicité est trompeuse. Une fusée bouteille est en fait un excellent moyen de comprendre et de réfléchir à certains concepts de base de la physique, comme les différentes formes d'énergie, sa force et son potentiel.
Énergie potentielle
Un objet possède une énergie potentielle du fait de sa configuration ou de sa position dans un champ de force. Si deux charges positives se rapprochent, elles ont une énergie potentielle accrue. Si vous prenez de l'air et le comprimez, cela entre de l'énergie et l'augmentation de la pression de l'air comprimé est une mesure de son énergie potentielle par volume. Lorsque la fusée bouteille se décapsule, l'air à l'intérieur a une pression plus élevée que l'air extérieur, donc il se dilate et expulse l'eau de la bouteille. Pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée; donc la force descendante exercée par cette expansion et cette expulsion pousse à son tour la fusée vers le haut. L'énergie potentielle stockée dans l'air comprimé se traduit en énergie cinétique.
Énergie cinétique
L'énergie cinétique est l'énergie du mouvement. Un objet en mouvement ou en chute comme la fusée bouteille a de l'énergie cinétique. Les molécules et les particules à l'intérieur d'un objet ont également une énergie cinétique, car elles vibrent ou se déplacent constamment. Lorsque les molécules de gaz entrent en collision avec la surface du matériau qui les confine, elles exercent une force sur celui-ci. La force divisée par la surface est égale à la pression. C'est pourquoi la réduction du volume d'un gaz augmente sa pression - les molécules sont confinées dans une zone plus petite, mais leur énergie cinétique moyenne n'a pas changé, donc la force qu'ils exercent sur le matériau qui les entoure augmente.
Énergie potentielle gravitationnelle
Au fur et à mesure que votre fusée monte, l'énergie cinétique du mouvement se traduit en énergie potentielle gravitationnelle. La fusée s'éloigne de la surface de la Terre, donc tout comme une charge négative et positive déplacée l'une de l'autre, la fusée a une énergie potentielle gravitationnelle plus élevée à mesure qu'elle s'éloigne de la terre. Au fur et à mesure que la gravité tire dessus, sa vitesse diminue jusqu'à ce qu'elle atteigne un point où toute l'énergie cinétique a été transformée en énergie potentielle gravitationnelle. À ce stade, la fusée commence à tomber.
Tomber sur Terre
Lorsque la fusée bouteille tombe, l'énergie potentielle gravitationnelle se transforme en énergie cinétique et la vitesse de la fusée bouteille augmente rapidement. Finalement, il frappe le sol, où son énergie cinétique se dissipe sous forme de mouvement aléatoire de molécules dans la chaussée - en d'autres termes, sous forme de chaleur.
Vous remarquerez peut-être que pendant la montée et la descente de la fusée bouteille, aucune énergie ne "disparaît" - toute l'énergie se transforme d'une forme en une autre ou passe de la chaleur au frottement et à la résistance de l'air. La première loi de la thermodynamique soutient que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite; il ne fait que passer d'une forme à une autre.
