W porównaniu z wahadłowcem kosmicznym NASA lub chińskim statkiem kosmicznym Shenzhou, rakieta butelkowa to stosunkowo prosta sprawa – po prostu butelka po napojach pełna wody i sprężonego powietrza. Ale ta prostota jest zwodnicza. Rakieta z butelki to w rzeczywistości świetny sposób na zrozumienie i zastanowienie się nad podstawowymi pojęciami fizyki, takimi jak różne formy energii, jej siła i potencjał.
Energia potencjalna
Obiekt posiada energię potencjalną ze względu na swoją konfigurację lub położenie w polu siłowym. Jeśli dwa ładunki dodatnie zbliżą się do siebie, mają zwiększoną energię potencjalną. Jeśli weźmiesz powietrze i skompresujesz je, to wprowadza energię, a zwiększone ciśnienie sprężonego powietrza jest miarą jego energii potencjalnej na objętość. Kiedy rakieta z butelki otwiera się, powietrze wewnątrz ma większe ciśnienie niż powietrze na zewnątrz, więc rozszerza się i wyrzuca wodę z butelki. Dla każdego działania istnieje równa i przeciwna reakcja; tak więc siła skierowana w dół wywierana przez to rozszerzenie i wydalenie z kolei popycha rakietę w górę. Energia potencjalna zmagazynowana w sprężonym powietrzu przekłada się na energię kinetyczną.
Energia kinetyczna
Energia kinetyczna to energia ruchu. Poruszający się lub spadający obiekt, taki jak rakieta z butelki, ma energię kinetyczną. Cząsteczki i cząstki wewnątrz obiektu również mają energię kinetyczną, ponieważ nieustannie wibrują lub poruszają się. Gdy cząsteczki gazu zderzają się z powierzchnią otaczającego je materiału, wywierają na niego siłę. Siła podzielona przez powierzchnię jest równa ciśnieniu. Dlatego zmniejszenie objętości gazu zwiększa jego ciśnienie – cząsteczki są ograniczone do mniejszej powierzchni, ale ich średnia energia kinetyczna nie uległa zmianie, więc siła, jaką wywierają na otaczający ich materiał, wzrasta.
Grawitacyjna energia potencjalna
Gdy twoja rakieta wznosi się, energia kinetyczna ruchu przekłada się na grawitacyjną energię potencjalną. Rakieta oddala się od powierzchni Ziemi, tak jak porusza się ładunek ujemny i dodatni od siebie, rakieta ma wyższą energię potencjalną grawitacji, ponieważ wznosi się dalej od ziemia. Gdy przyciąga go grawitacja, jego prędkość maleje, aż osiągnie punkt, w którym cała energia kinetyczna zostanie przekształcona w potencjalną energię grawitacyjną. W tym momencie rakieta zaczyna spadać.
Upadek na ziemię
Gdy rakieta z butelki spada, grawitacyjna energia potencjalna przekształca się w energię kinetyczną, a prędkość rakiety z butelki gwałtownie wzrasta. W końcu uderza w ziemię, gdzie jej energia kinetyczna rozprasza się jako przypadkowy ruch cząsteczek na chodniku – innymi słowy, jako ciepło.
Możesz zauważyć, że podczas wznoszenia się i opadania rakiety z butelki żadna energia nie „znika” – cała energia albo przechodzi z jednej formy w drugą, albo zmienia się z ciepła w tarcie i opór powietrza. Pierwsza zasada termodynamiki głosi, że energii nie można ani stworzyć, ani zniszczyć; po prostu zmienia się z jednej formy w drugą.
