Formas de energia ao lançar um foguete de garrafa de água

Comparado a um ônibus espacial da NASA ou à espaçonave Shenzhou da China, um foguete de garrafa é um assunto relativamente simples - apenas uma garrafa de refrigerante cheia de água e ar comprimido. Mas essa simplicidade engana. Um foguete de garrafa é na verdade uma ótima maneira de entender e pensar sobre alguns conceitos básicos da física, como diferentes formas de energia, sua força e potencial.

Um objeto tem energia potencial em virtude de sua configuração ou posição em um campo de força. Se duas cargas positivas se aproximam, elas aumentam a energia potencial. Se você pega o ar e o comprime, isso insere energia, e o aumento da pressão do ar comprimido é uma medida de sua energia potencial por volume. Quando o foguete da garrafa abre, o ar interno tem maior pressão do que o ar externo, então ele se expande e expulsa a água da garrafa. Para cada ação, há uma reação igual e oposta; assim, a força descendente exercida por essa expansão e expulsão, por sua vez, empurra o foguete para cima. A energia potencial armazenada no ar comprimido se traduz em energia cinética.

A energia cinética é a energia do movimento. Um objeto em movimento ou em queda, como o foguete de garrafa, tem energia cinética. Moléculas e partículas dentro de um objeto também possuem energia cinética, porque vibram ou se movem constantemente. Conforme as moléculas de gás colidem com a superfície do material que as confina, elas exercem força sobre ela. A força dividida pela área é igual à pressão. É por isso que reduzir o volume de um gás aumenta sua pressão - as moléculas estão confinadas a uma área menor, mas sua energia cinética média não mudou, então a força que exercem sobre o material ao seu redor aumenta.

Conforme o foguete sobe, a energia cinética do movimento se traduz em energia potencial gravitacional. O foguete está se afastando da superfície da Terra, assim como uma carga negativa e positiva se moveu longe um do outro, o foguete tem maior energia potencial gravitacional à medida que sobe mais longe do chão. À medida que a gravidade o atrai, sua velocidade diminui até atingir um ponto em que toda a energia cinética se transforma em energia potencial gravitacional. Nesse ponto, o foguete começa a cair.

Conforme o foguete de garrafa cai, a energia potencial gravitacional se transforma em energia cinética e a velocidade do foguete de garrafa aumenta rapidamente. Eventualmente, ele atinge o solo, onde sua energia cinética se dissipa como movimento aleatório de moléculas no pavimento - em outras palavras, como calor.

Você pode notar que durante a ascensão e queda do foguete de garrafa, nenhuma energia "desaparece" - toda a energia se transforma de uma forma para outra ou muda de calor para fricção e resistência do ar. A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada nem destruída; simplesmente muda de uma forma para outra.