Inhoud
Vergeleken met een NASA-ruimteveer of het ruimtevaartuig van China Shenzhou is een flessenraket een relatief eenvoudige aangelegenheid - gewoon een frisdrankfles vol water en perslucht. Maar die eenvoud is bedrieglijk. Een flessenraket is eigenlijk een geweldige manier om enkele basisconcepten in de fysica te begrijpen en erover na te denken, zoals verschillende vormen van energie, de kracht en het potentieel ervan.
Potentiële energie
Een object heeft potentiële energie op grond van zijn configuratie of zijn positie in een krachtveld. Als twee positieve ladingen dichter bij elkaar komen, hebben ze de potentiële energie verhoogd. Als u lucht neemt en comprimeert, wordt energie ingevoerd en is de verhoogde druk van de perslucht een maat voor de potentiële energie per volume. Wanneer de flessenraket loskomt, heeft de lucht binnenin een grotere druk dan de buitenlucht, waardoor deze uitzet en water uit de fles verdrijft. Voor elke actie is er een gelijke en tegengestelde reactie; dus neerwaartse kracht uitgeoefend door deze expansie en uitstoting duwt op zijn beurt de raket naar boven.De potentiële energie opgeslagen in de perslucht vertaalt zich in kinetische energie.
Kinetische energie
Kinetische energie is de energie van beweging. Een bewegend of vallend object zoals de flessenraket heeft kinetische energie. Moleculen en deeltjes in een object hebben ook kinetische energie, omdat ze constant trillen of bewegen. Terwijl gasmoleculen botsen met het oppervlak van het materiaal dat ze opsluit, oefenen ze er kracht op uit. De kracht gedeeld door het gebied is gelijk aan de druk. Dat is de reden waarom het verminderen van het volume van een gas zijn druk verhoogt - de moleculen zijn beperkt tot een kleiner gebied, maar hun gemiddelde kinetische energie is niet veranderd, dus de kracht die ze uitoefenen op het materiaal om hen heen neemt toe.
Zwaartekracht potentiële energie
Terwijl je raket stijgt, vertaalt de kinetische energie van beweging zich in zwaartekracht potentiële energie. De raket beweegt verder weg van het aardoppervlak, dus net als een negatieve en positieve lading van elkaar af verplaatst, heeft de raket een hogere zwaartekrachtpotentieel als het verder van de grond klimt. Terwijl de zwaartekracht eraan trekt, neemt de snelheid ervan af totdat het een punt bereikt waarop alle kinetische energie is omgezet in potentiële zwaartekrachtenergie. Op dit punt begint de raket te vallen.
Op aarde vallen
Terwijl de flessenraket valt, wordt de potentiële zwaartekrachtenergie omgezet in kinetische energie en neemt de snelheid van de flessenraket snel toe. Uiteindelijk raakt het de grond, waar zijn kinetische energie verdwijnt als willekeurige beweging van moleculen in de stoep - met andere woorden, als warmte.
Je merkt misschien dat tijdens het stijgen en dalen van de flessenraket geen energie "verdwijnt" - alle energie transformeert ofwel van de ene vorm naar de andere of verandert van warmte in wrijving en luchtweerstand. De eerste wet van de thermodynamica houdt in dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd; het verandert alleen van de ene vorm in de andere.