Salīdzinot ar NASA kosmosa maršruta autobusu vai Ķīnas kosmosa kuģi Šeņžou, pudeļu raķete ir samērā vienkārša lieta - tikai ūdens un saspiesta gaisa pilna sodas pudele. Bet šī vienkāršība ir maldinoša. Pudeļu raķete faktiski ir lielisks veids, kā saprast un domāt par dažiem fizikas pamatjēdzieniem, piemēram, dažādiem enerģijas veidiem, tā spēku un potenciālu.
Potenciālā enerģija
Objektam ir potenciālā enerģija, ņemot vērā tā konfigurāciju vai stāvokli spēka laukā. Ja divi pozitīvi lādiņi tuvojas tuvāk viens otram, tiem ir palielināta potenciālā enerģija. Ja jūs paņemat gaisu un saspiežat, tas ievada enerģiju, un paaugstināts saspiestā gaisa spiediens ir tā potenciālās enerģijas mērījums uz tilpumu. Kad pudeles raķete atlec, korpuss iekšpusē esošajam gaisam ir lielāks nekā ārējais, tāpēc tas izplešas un izspiež ūdeni no pudeles. Katrai darbībai ir vienāda un pretēja reakcija; tik lejupvērsts spēks, ko rada šī izplešanās un izraidīšana, savukārt stumj raķeti uz augšu. Saspiestajā gaisā uzkrātā potenciālā enerģija pārveidojas par kinētisko enerģiju.
Kinētiskā enerģija
Kinētiskā enerģija ir kustības enerģija. Kustīgam vai krītošam priekšmetam, piemēram, pudeles raķetei, ir kinētiskā enerģija. Molekulām un daļiņām objekta iekšienē ir arī kinētiskā enerģija, jo tās pastāvīgi vibrē vai pārvietojas. Kad gāzes molekulas saduras ar materiāla virsmu, kas tās ierobežo, tās uz to iedarbojas. Spēks dalīts ar laukumu ir vienāds ar spiedienu. Tāpēc, samazinot gāzes tilpumu, palielinās tās spiediens - molekulas ir ierobežotas mazākā platībā, bet to vidējā kinētiskā enerģija nav mainījusies, tāpēc palielinās spēks, ko tie iedarbojas uz apkārtējo materiālu.
Gravitācijas potenciālā enerģija
Kad jūsu raķete paceļas, kustības kinētiskā enerģija pārveidojas par gravitācijas potenciālo enerģiju. Raķete virzās tālāk no Zemes virsmas, tāpat kā negatīvs un pozitīvs lādiņš prom viena no otras, raķetei ir lielāka gravitācijas potenciāla enerģija, jo tā uzkāpj tālāk no zeme. Kad gravitācija to velk, tā ātrums samazinās, līdz tas sasniedz punktu, kur visa kinētiskā enerģija ir pārveidota par gravitācijas potenciālo enerģiju. Šajā brīdī raķete sāk krist.
Krīt uz Zemes
Krītot pudeles raķetei, gravitācijas potenciālā enerģija pārveidojas par kinētisko enerģiju, un pudeles raķetes ātrums strauji palielinās. Galu galā tas ietriecas zemē, kur tās kinētiskā enerģija izkliedējas kā nejauša molekulu kustība bruģī - citiem vārdiem sakot, kā siltums.
Jūs varat pamanīt, ka pudeles raķetes pacelšanās un krišanas laikā enerģija "nepazūd" - visa enerģija vai nu pārveidojas no vienas formas uz citu, vai arī no siltuma pārvēršas par berzi un gaisa pretestību. Pirmais termodinamikas likums nosaka, ka enerģiju nevar ne radīt, ne iznīcināt; tas tikai mainās no vienas formas uz citu.