NASAのスペースシャトルや中国の神舟宇宙船と比較すると、ボトルロケットは比較的単純なものです。水と圧縮空気で満たされたソーダボトルだけです。 しかし、その単純さは欺瞞的です。 ボトルロケットは、実際には、さまざまな形のエネルギー、その力、可能性など、物理学のいくつかの基本的な概念を理解して考えるための優れた方法です。
位置エネルギー
オブジェクトは、その構成または力場での位置によって位置エネルギーを持ちます。 2つの正電荷が互いに近づくと、位置エネルギーが増加します。 空気を取り込んで圧縮すると、これがエネルギーを入力します。圧縮空気の圧力の上昇は、体積あたりの位置エネルギーの尺度になります。 ボトルロケットのキャップが外れると、内部の空気は外気よりも圧力が高くなるため、膨張してボトルから水を排出します。 すべての行動に対して、等しく反対の反応があります。 そのため、この膨張と放出によって加えられる下向きの力が、ロケットを上向きに押し上げます。 圧縮空気に蓄えられた位置エネルギーは、運動エネルギーに変換されます。
運動エネルギー
運動エネルギーは運動のエネルギーです。 ボトルロケットのような動く物体や落下する物体には、運動エネルギーがあります。 オブジェクト内の分子や粒子は、絶えず振動したり移動したりするため、運動エネルギーも持っています。 ガス分子がそれらを閉じ込めている材料の表面に衝突すると、それらはそれに力を及ぼします。 力を面積で割ると、圧力に等しくなります。 そのため、ガスの体積を減らすと圧力が上がります。分子はより小さな領域に閉じ込められます。 しかし、それらの平均運動エネルギーは変化していないので、それらが周囲の材料に及ぼす力は増加します。
重力ポテンシャルエネルギー
ロケットが上昇すると、運動の運動エネルギーが重力ポテンシャルエネルギーに変換されます。 ロケットは地球の表面からさらに離れて移動しているので、負と正の電荷が移動したように ロケットが互いに離れていると、ロケットは重力ポテンシャルエネルギーが高くなります。 接地。 重力がそれを引っ張ると、その速度は、すべての運動エネルギーが重力ポテンシャルエネルギーに変換されるポイントに到達するまで減少します。 この時点で、ロケットは落下し始めます。
地球に落ちる
ボトルロケットが落下すると、重力ポテンシャルエネルギーが運動エネルギーに変換され、ボトルロケットの速度が急速に増加します。 最終的に、それは地面に衝突し、そこでその運動エネルギーは舗装内の分子のランダムな動きとして、つまり熱として放散します。
ボトルロケットの上昇と下降の間に、エネルギーが「消える」ことはありません。すべてのエネルギーは、ある形式から別の形式に変換されるか、熱から摩擦および空気抵抗に変化します。 熱力学の第1法則は、エネルギーを生成したり破壊したりすることはできないとしています。 ある形式から別の形式に変わるだけです。