צורות אנרגיה בעת שיגור רקטת בקבוקי מים

בהשוואה למעבורת חלל של נאס"א או לחללית שנז'ו בסין, רקטת בקבוקים היא עניין פשוט יחסית - רק בקבוק סודה מלא מים ואוויר דחוס. אבל הפשטות הזו מתעתעת. טיל בקבוקים הוא למעשה דרך נהדרת להבין ולחשוב על כמה מושגי יסוד בפיזיקה, כמו צורות שונות של אנרגיה, כוחה ופוטנציאל.

לאובייקט יש אנרגיה פוטנציאלית מכוח תצורתו או מיקומו בשדה כוח. אם שני מטענים חיוביים מתקרבים זה לזה, הם מגבירים את האנרגיה הפוטנציאלית. אם לוקחים אוויר ודוחסים אותו, זה מכניס אנרגיה, והלחץ המוגבר של האוויר הדחוס הוא מדד לאנרגיה הפוטנציאלית שלו לנפח. כאשר רקטת הבקבוק נפתחת, האוויר שבפנים לחץ גדול יותר מהאוויר החיצוני, ולכן היא מתרחבת ומוציאה מים מהבקבוק. לכל פעולה קיימת תגובה שווה והפוכה; כך שהכוח כלפי מטה שמופעל על ידי התפשטות זו והגירוש בתורו דוחף את הרקטה כלפי מעלה. האנרגיה הפוטנציאלית המאוחסנת באוויר הדחוס מתורגמת לאנרגיה קינטית.

אנרגיה קינטית היא אנרגיית התנועה. לאובייקט נע או נופל כמו רקטת הבקבוק יש אנרגיה קינטית. למולקולות וחלקיקים בתוך אובייקט יש גם אנרגיה קינטית, מכיוון שהם רוטטים או נעים כל הזמן. כאשר מולקולות גז מתנגשות עם פני השטח של החומר המגביל אותן, הן מפעילות עליו כוח. הכוח המחולק לפי השטח שווה ללחץ. לכן הפחתת נפח הגז מגדילה את לחץו - המולקולות מוגבלות לאזור קטן יותר, אך האנרגיה הקינטית הממוצעת שלהם לא השתנתה, ולכן הכוח שהם מפעילים על החומר סביבם גדל.

כאשר הרקטה שלך עולה, האנרגיה הקינטית של התנועה מתורגמת לאנרגיה פוטנציאלית כבידתית. הרקטה מתרחקת יותר מעל פני כדור הארץ, כך בדיוק כמו מטען שלילי וחיובי שנע הרחק זה מזה, לטיל יש אנרגיית פוטנציאל כבידה גבוהה יותר ככל שהיא מטפסת רחוק יותר מ- קרקע, אדמה. ככל שכוח המשיכה מושך אותו, מהירותו פוחתת עד שהיא מגיעה לנקודה בה כל האנרגיה הקינטית הפכה לאנרגיה פוטנציאלית כבידתית. בשלב זה הרקטה מתחילה ליפול.

עם נפילת רקטת הבקבוק, אנרגיית פוטנציאל הכבידה הופכת לאנרגיה קינטית, ומהירות רקטת הבקבוק עולה במהירות. בסופו של דבר היא פוגעת בקרקע, שם האנרגיה הקינטית שלה מתפזרת כתנועה אקראית של מולקולות במדרכה - במילים אחרות, כחום.

יתכן שתבחין כי במהלך עלייתו ונפילתו של רקטת הבקבוק, שום אנרגיה "לא נעלמת" - כל האנרגיה הופכת מצורה אחת לאחרת או עוברת מחום לחיכוך והתנגדות אוויר. החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע כי לא ניתן ליצור ולא להרוס אנרגיה; זה רק משתנה מצורה אחת לאחרת.