Vergeleken met een NASA-ruimteveer of het Chinese Shenzhou-ruimtevaartuig, is een flessenraket een relatief eenvoudige aangelegenheid - gewoon een frisdrankfles vol water en perslucht. Maar die eenvoud is bedrieglijk. Een flessenraket is eigenlijk een geweldige manier om enkele basisconcepten in de natuurkunde te begrijpen en erover na te denken, zoals verschillende vormen van energie, de kracht en het potentieel ervan.
Potentiële energie
Een object heeft potentiële energie vanwege zijn configuratie of zijn positie in een krachtveld. Als twee positieve ladingen dichter bij elkaar komen, hebben ze een verhoogde potentiële energie. Als je lucht neemt en comprimeert, levert dit energie op, en de verhoogde druk van de perslucht is een maat voor de potentiële energie per volume. Wanneer de flessenraket opengaat, heeft de lucht binnen een grotere druk dan de buitenlucht, dus zet het uit en verdrijft het water uit de fles. Voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie; dus neerwaartse kracht uitgeoefend door deze uitzetting en uitzetting duwt op zijn beurt de raket omhoog. De potentiële energie opgeslagen in de perslucht vertaalt zich in kinetische energie.
Kinetische energie
Kinetische energie is de energie van beweging. Een bewegend of vallend object zoals de flessenraket heeft kinetische energie. Moleculen en deeltjes in een object hebben ook kinetische energie, omdat ze constant trillen of bewegen. Als gasmoleculen botsen met het oppervlak van het materiaal dat ze opsluit, oefenen ze er kracht op uit. De kracht gedeeld door de oppervlakte is gelijk aan de druk. Dat is de reden waarom het verminderen van het volume van een gas de druk verhoogt - de moleculen zijn beperkt tot een kleiner gebied, maar hun gemiddelde kinetische energie is niet veranderd, dus de kracht die ze uitoefenen op het materiaal om hen heen neemt toe.
Gravitatie potentiële energie
Terwijl je raket stijgt, vertaalt de kinetische energie van beweging zich in potentiële zwaartekrachtenergie. De raket beweegt verder weg van het aardoppervlak, dus net zoals een negatieve en positieve lading zich verplaatsten van elkaar verwijderd is, heeft de raket een hogere potentiële zwaartekracht naarmate hij verder van de grond. Terwijl de zwaartekracht eraan trekt, neemt de snelheid ervan af totdat het een punt bereikt waar alle kinetische energie is omgezet in potentiële zwaartekrachtenergie. Op dit punt begint de raket te vallen.
Op aarde vallen
Als de flessenraket valt, verandert de potentiële zwaartekrachtenergie in kinetische energie en neemt de snelheid van de flessenraket snel toe. Uiteindelijk raakt het de grond, waar zijn kinetische energie verdwijnt als willekeurige beweging van moleculen in de stoep - met andere woorden, als warmte.
Het is je misschien opgevallen dat tijdens de opkomst en ondergang van de flesraket geen energie "verdwijnt" - alle energie transformeert van de ene vorm naar de andere of verandert van warmte in wrijving en luchtweerstand. De eerste wet van de thermodynamica stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd; het verandert slechts van de ene vorm in de andere.