Порівняно з космічним човником НАСА або китайським космічним кораблем Шеньчжоу, ракета-пляшка - справа відносно проста - просто пляшка газованої води, повна води та стисненого повітря. Але ця простота оманлива. Пляшка-ракета насправді є чудовим способом зрозуміти і подумати про деякі основні поняття у фізиці, такі як різні форми енергії, її сила та потенціал.
Потенційна енергія
Об'єкт має потенційну енергію в силу своєї конфігурації або положення в силовому полі. Якщо два позитивні заряди зближуються, вони збільшують потенційну енергію. Якщо ви берете повітря і стискаєте його, це вносить енергію, а підвищений тиск стисненого повітря є мірою його потенційної енергії на об’єм. Коли ракета пляшки розкривається, повітря всередині має більший тиск, ніж зовнішнє, тому вона розширюється і витісняє воду з пляшки. На кожну дію існує рівна і протилежна реакція; настільки сила, що діє внаслідок цього розширення та виштовхування, по черзі штовхає ракету вгору. Потенційна енергія, що зберігається в стисненому повітрі, перетворюється на кінетичну енергію.
Кінетична енергія
Кінетична енергія - це енергія руху. Рухомий або падаючий предмет, як ракета-пляшка, має кінетичну енергію. Молекули та частинки всередині об’єкта мають також кінетичну енергію, оскільки вони постійно вібрують або рухаються. Коли молекули газу стикаються з поверхнею утримуючого їх матеріалу, вони діють на нього силою. Сила, поділена на площу, дорівнює тиску. Ось чому зменшення об’єму газу збільшує його тиск - молекули обмежені меншою площею, але їх середня кінетична енергія не змінилася, тому сила, яку вони надають на матеріал, що їх оточує, зростає.
Гравітаційна потенційна енергія
Коли ваша ракета піднімається, кінетична енергія руху перетворюється на гравітаційну потенційну енергію. Ракета віддаляється від поверхні Землі, так само як і негативний і позитивний заряд рухався подалі одна від одної, ракета має вищу гравітаційну потенційну енергію, коли вона піднімається далі від земля. Коли гравітація натягує на неї, її швидкість зменшується, поки не досягне точки, коли вся кінетична енергія перетвориться на гравітаційну потенційну енергію. У цей момент ракета починає падати.
Падіння на Землю
У міру падіння ракети пляшки гравітаційна потенційна енергія перетворюється на кінетичну енергію, і швидкість ракети пляшки швидко зростає. Зрештою, він вдаряється об землю, де його кінетична енергія розсіюється як випадковий рух молекул на бруківці - іншими словами, як тепло.
Ви можете помітити, що під час підйому і падіння ракети-пляшки жодна енергія не "зникає" - вся енергія або переходить з однієї форми в іншу, або змінюється від тепла до тертя та опору повітря. Перший закон термодинаміки вважає, що енергію не можна ні створювати, ні руйнувати; він просто змінюється від однієї форми до іншої.