Rispetto a una navetta spaziale della NASA o alla navicella spaziale cinese Shenzhou, un razzo bottiglia è un affare relativamente semplice: solo una bottiglia di soda piena di acqua e aria compressa. Ma quella semplicità è ingannevole. Un razzo bottiglia è in realtà un ottimo modo per capire e pensare ad alcuni concetti di base della fisica, come le diverse forme di energia, la sua forza e il suo potenziale.
Energia potenziale
Un oggetto possiede energia potenziale in virtù della sua configurazione o della sua posizione in un campo di forza. Se due cariche positive si avvicinano, hanno un'energia potenziale maggiore. Se prendi aria e la comprimi, questa immette energia e l'aumento della pressione dell'aria compressa è una misura della sua energia potenziale per volume. Quando il razzo della bottiglia si apre, l'aria all'interno ha una pressione maggiore dell'aria esterna, quindi si espande ed espelle l'acqua dalla bottiglia. Ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria; quindi la forza verso il basso esercitata da questa espansione ed espulsione spinge a sua volta il razzo verso l'alto. L'energia potenziale immagazzinata nell'aria compressa si traduce in energia cinetica.
Energia cinetica
L'energia cinetica è l'energia del movimento. Un oggetto in movimento o in caduta come il razzo bottiglia ha energia cinetica. Anche le molecole e le particelle all'interno di un oggetto hanno energia cinetica, perché vibrano o si muovono costantemente. Quando le molecole di gas si scontrano con la superficie del materiale che le confina, esercitano una forza su di essa. La forza divisa per l'area è uguale alla pressione. Ecco perché ridurre il volume di un gas aumenta la sua pressione: le molecole sono confinate in un'area più piccola, ma la loro energia cinetica media non è cambiata, quindi la forza che esercitano sul materiale che li circonda aumenta.
Energia potenziale gravitazionale
Quando il tuo razzo si alza, l'energia cinetica del movimento si traduce in energia potenziale gravitazionale. Il razzo si sta allontanando sempre di più dalla superficie terrestre, proprio come si è mossa una carica negativa e una positiva distanti l'uno dall'altro, il razzo ha un'energia potenziale gravitazionale più elevata man mano che sale più lontano dal terra. Quando la gravità lo attrae, la sua velocità diminuisce fino a raggiungere un punto in cui tutta l'energia cinetica è stata trasformata in energia potenziale gravitazionale. A questo punto, il razzo inizia a cadere.
Caduta sulla Terra
Quando il razzo bottiglia cade, l'energia potenziale gravitazionale si trasforma in energia cinetica e la velocità del razzo bottiglia aumenta rapidamente. Alla fine, colpisce il suolo, dove la sua energia cinetica si dissipa come movimento casuale di molecole nel pavimento, in altre parole, come calore.
Potresti notare che durante l'ascesa e la caduta del razzo bottiglia, nessuna energia "scompare" - tutta l'energia si trasforma da una forma all'altra o cambia dal calore all'attrito e alla resistenza dell'aria. La prima legge della termodinamica sostiene che l'energia non può essere né creata né distrutta; cambia semplicemente da una forma all'altra.