По сравнению с космическим шаттлом НАСА или китайским космическим кораблем в Шэньчжоу, ракета-носитель - это относительно простое дело - просто бутылка содовой, наполненная водой и сжатым воздухом. Но эта простота обманчива. Бутылочная ракета - это на самом деле отличный способ понять и обдумать некоторые базовые концепции физики, такие как различные формы энергии, ее сила и потенциал.
Потенциальная энергия
Объект обладает потенциальной энергией в силу своей конфигурации или положения в силовом поле. Если два положительных заряда сближаются, у них повышается потенциальная энергия. Если вы возьмете воздух и сжимаете его, это потребляет энергию, а повышенное давление сжатого воздуха является мерой его потенциальной энергии на единицу объема. Когда бутылка-ракета открывается, воздух внутри имеет большее давление, чем наружный воздух, поэтому он расширяется и выталкивает воду из бутылки. На каждое действие есть равная и противоположная реакция; поэтому направленная вниз сила, создаваемая этим расширением и выталкиванием, в свою очередь толкает ракету вверх. Потенциальная энергия, хранящаяся в сжатом воздухе, преобразуется в кинетическую энергию.
Кинетическая энергия
Кинетическая энергия - это энергия движения. Движущийся или падающий объект, такой как баллонная ракета, обладает кинетической энергией. Молекулы и частицы внутри объекта также обладают кинетической энергией, потому что они постоянно колеблются или перемещаются. Когда молекулы газа сталкиваются с поверхностью ограничивающего их материала, они оказывают на нее силу. Сила, деленная на площадь, равна давлению. Вот почему уменьшение объема газа увеличивает его давление - молекулы ограничиваются меньшей площадью, но их средняя кинетическая энергия не изменилась, поэтому сила, которую они оказывают на материал вокруг себя, увеличивается.
Гравитационно потенциальная энергия
Когда ваша ракета поднимается, кинетическая энергия движения преобразуется в потенциальную энергию гравитации. Ракета уходит все дальше от поверхности Земли, так же как и отрицательный, и положительный заряд. друг от друга, ракеты имеют более высокую гравитационную потенциальную энергию по мере того, как они поднимаются дальше от земля. По мере того как гравитация воздействует на него, его скорость уменьшается, пока он не достигнет точки, в которой вся кинетическая энергия преобразуется в потенциальную гравитационную энергию. В этот момент ракета начинает падать.
Падение на Землю
Когда баллонная ракета падает, гравитационная потенциальная энергия трансформируется в кинетическую энергию, и скорость баллонной ракеты быстро увеличивается. В конце концов, он ударяется о землю, где его кинетическая энергия рассеивается в виде беспорядочного движения молекул на тротуаре - другими словами, в виде тепла.
Вы можете заметить, что во время взлета и падения баллонной ракеты никакая энергия не «исчезает» - вся энергия либо трансформируется из одной формы в другую, либо меняется от тепла к трению и сопротивлению воздуха. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена; он просто переходит из одной формы в другую.