Zawartość
W porównaniu z promem kosmicznym NASA lub statkiem kosmicznym Chinas Shenzhou rakieta butelkowa jest stosunkowo prostą sprawą - tylko butelką z wodą sodową wypełnioną wodą i sprężonym powietrzem. Ale ta prostota jest zwodnicza. Rakieta butelkowa to w rzeczywistości świetny sposób na zrozumienie niektórych podstawowych pojęć w fizyce, takich jak różne formy energii, jej siła i potencjał.
Energia potencjalna
Obiekt ma energię potencjalną ze względu na swoją konfigurację lub położenie w polu siłowym. Jeśli dwa ładunki dodatnie zbliżą się do siebie, zwiększą energię potencjalną. Jeśli weźmiesz powietrze i skompresujesz je, ta energia wejściowa, a podwyższone ciśnienie sprężonego powietrza jest miarą jego energii potencjalnej na objętość. Kiedy rakieta butelki się odkręca, powietrze wewnątrz ma większe ciśnienie niż powietrze zewnętrzne, więc rozszerza się i wydala wodę z butelki. Dla każdego działania występuje równa i przeciwna reakcja; więc siła w dół wywierana przez to rozszerzanie i wypychanie z kolei popycha rakietę w górę.Energia potencjalna zmagazynowana w sprężonym powietrzu przekłada się na energię kinetyczną.
Energia kinetyczna
Energia kinetyczna to energia ruchu. Ruchomy lub spadający obiekt, taki jak rakieta butelkowa, ma energię kinetyczną. Cząsteczki i cząsteczki wewnątrz obiektu mają również energię kinetyczną, ponieważ stale wibrują lub poruszają się. Kiedy 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 mniejszego obszaru, ale ich średnia energia kinetyczna nie uległa zmianie, więc wzrasta siła, jaką wywierają na otaczający je materiał.
Grawitacyjna energia potencjalna
Gdy rakieta unosi się, energia kinetyczna ruchu przekłada się na grawitacyjną energię potencjalną. Rakieta porusza się dalej od powierzchni Ziemi, więc podobnie jak ujemny i dodatni ładunek odsunięty od siebie, rakieta ma wyższą energię potencjalną grawitacji, gdy wspina się dalej od ziemi. Gdy grawitacja się na nią porusza, jej prędkość maleje, aż osiąga punkt, w którym cała energia kinetyczna została przekształcona w grawitacyjną energię potencjalną. W tym momencie rakieta zaczyna spadać.
Falling to Earth
Gdy rakieta spadnie, energia potencjalna grawitacji przekształca się w energię kinetyczną, a prędkość rakiety gwałtownie wzrasta. W końcu uderza w ziemię, gdzie jego energia kinetyczna rozprasza się jako losowy ruch cząsteczek w chodniku - innymi słowy, jako ciepło.
Możesz zauważyć, że podczas wznoszenia i opadania rakiety butelkowej żadna energia nie „znika” - cała energia albo przekształca się z jednej postaci w drugą, albo zmienia się z ciepła w tarcie i opór powietrza. Pierwsza zasada termodynamiki głosi, że energii nie można ani wytworzyć, ani zniszczyć; zmienia się tylko z jednej formy w drugą.