รูปแบบของพลังงานเมื่อปล่อยจรวดขวดน้ำ

เมื่อเทียบกับกระสวยอวกาศของ NASA หรือยานอวกาศ Shenzhou ของจีน จรวดขวดเป็นเรื่องที่ค่อนข้างง่าย แค่ขวดโซดาที่เต็มไปด้วยน้ำและอากาศอัด แต่ความเรียบง่ายนั้นหลอกลวง ที่จริงแล้วจรวดขวดเป็นวิธีที่ยอดเยี่ยมในการทำความเข้าใจและคิดเกี่ยวกับแนวคิดพื้นฐานบางอย่างในฟิสิกส์ เช่น พลังงานรูปแบบต่างๆ แรงและศักยภาพของมัน

วัตถุมีพลังงานศักย์โดยอาศัยการกำหนดค่าหรือตำแหน่งในสนามแรง ถ้าประจุบวก 2 ประจุเข้าใกล้กันมากขึ้น แสดงว่ามีพลังงานศักย์เพิ่มขึ้น หากคุณนำอากาศมาบีบอัด พลังงานนี้จะป้อนเข้า และความดันที่เพิ่มขึ้นของอากาศอัดเป็นตัวชี้วัดพลังงานศักย์ต่อปริมาตร เมื่อขวดจรวดแตกออก อากาศภายในจะมีแรงดันมากกว่าอากาศภายนอก จึงขยายตัวและขับน้ำออกจากขวด สำหรับทุกการกระทำมีปฏิกิริยาที่เท่ากันและตรงกันข้าม แรงที่กระทำโดยการขยายตัวและการขับไล่นี้จึงผลักจรวดขึ้นด้านบน พลังงานศักย์ที่เก็บไว้ในอากาศอัดแปลเป็นพลังงานจลน์

พลังงานจลน์คือพลังงานของการเคลื่อนไหว วัตถุที่เคลื่อนที่หรือตกลงมา เช่น จรวดขวด มีพลังงานจลน์ โมเลกุลและอนุภาคภายในวัตถุก็มีพลังงานจลน์เช่นกัน เพราะมันสั่นสะเทือนหรือเคลื่อนที่อยู่ตลอดเวลา เมื่อโมเลกุลของแก๊สชนกับพื้นผิวของวัสดุที่กักขังพวกมันไว้ พวกมันก็จะออกแรงกดทับ แรงหารด้วยพื้นที่เท่ากับความดัน นั่นคือเหตุผลที่การลดปริมาตรของแก๊สจะเพิ่มความดันขึ้น -- โมเลกุลถูกจำกัดให้อยู่ในพื้นที่ที่เล็กกว่า แต่พลังงานจลน์เฉลี่ยไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นแรงที่พวกมันกระทำต่อวัสดุรอบตัวจึงเพิ่มขึ้น

เมื่อจรวดของคุณพุ่งสูงขึ้น พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่จะแปลเป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วง จรวดกำลังเคลื่อนตัวออกห่างจากพื้นผิวโลกมากขึ้น เหมือนกับที่ประจุลบและประจุบวกเคลื่อนตัว ห่างจากกัน จรวดมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงสูงกว่าเมื่อไต่จาก พื้น. เมื่อแรงโน้มถ่วงดึงมัน ความเร็วของมันจะลดลงจนถึงจุดที่พลังงานจลน์ทั้งหมดถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานศักย์โน้มถ่วง เมื่อมาถึงจุดนี้ จรวดเริ่มตกลงมา

เมื่อจรวดขวดตกลงมา พลังงานศักย์โน้มถ่วงจะเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ และความเร็วของจรวดขวดจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในที่สุด มันก็ตกลงสู่พื้น โดยที่พลังงานจลน์ของมันจะสลายไปเป็นการเคลื่อนที่แบบสุ่มของโมเลกุลบนทางเท้า หรืออีกนัยหนึ่งก็คือ ความร้อน

คุณอาจสังเกตเห็นว่าในระหว่างการขึ้นและลงของจรวดขวด ไม่มีพลังงาน "หายไป" - พลังงานทั้งหมดเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปเป็นอีกรูปแบบหนึ่งหรือเปลี่ยนจากความร้อนเป็นแรงเสียดทานและแรงต้านของอากาศ กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ถือได้ว่าพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ มันก็แค่เปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่ง