Sisältö
Verrattuna NASA: n avaruussukkulaan tai Chinas Shenzhou -alukseen, pulloraketti on suhteellisen yksinkertainen tapaus - vain soodapullo, joka on täynnä vettä ja paineilmaa. Mutta tuo yksinkertaisuus on petollinen. Pulloraketti on todella hieno tapa ymmärtää ja miettiä joitain fysiikan peruskäsitteitä, kuten erilaisia energian muotoja, sen voimaa ja potentiaalia.
Mahdollinen energia
Kohteella on potentiaalienergia sen konfiguraation tai aseman vuoksi voimakentässä. Jos kaksi positiivista varausta lähentyvät toisiaan, ne ovat lisänneet potentiaalista energiaa. Jos otat ilmaa ja puristit sitä, se syöttää energiaa, ja paineilman lisääntynyt paine on sen potentiaalienergian tilavuus tilavuutta kohti. Kun pulloraketti sulkeutuu, sisäisessä ilmassa on suurempi paine kuin ulkoilmassa, joten se laajenee ja johtaa vettä pullosta. Jokaisessa toiminnassa on sama ja päinvastainen reaktio; joten tämän laajenemisen ja karkottamisen aiheuttama alaspäin suuntautuva voima työntää raketti ylöspäin.Paineilmaan varastoitu potentiaalienergia muuntuu kineettiseksi energiaksi.
Kineettinen energia
Kineettinen energia on liikkeen energiaa. Liikkuvalla tai putoavalla esineellä, kuten pullorakettilla, on kineettistä energiaa. Kohteen sisällä olevilla molekyyleillä ja hiukkasilla on myös kineettistä energiaa, koska ne värisevät tai liikkuvat jatkuvasti. Kun kaasumolekyylit törmäävät niitä rajoittavan materiaalin pintaan, ne kohdistavat siihen voimaa. Voima jaettuna alueella on yhtä suuri kuin paine. Tästä syystä kaasun tilavuuden vähentäminen lisää sen painetta - molekyylit ovat rajoittuneet pienemmälle alueelle, mutta niiden keskimääräinen kineettinen energia ei ole muuttunut, joten niiden ympärillä olevaan materiaaliin kohdistama voima kasvaa.
Gravitaatiopotentiaalienergia
Kun rakettisi nousee, liikkeen kineettinen energia muuntuu potentiaaliseksi gravitaatioenergiaksi. Raketti liikkuu kauempana maapallon pinnasta, joten aivan kuten negatiivinen ja positiivinen varaus siirtyi toisistaan, raketilla on korkeampi painovoimapotentiaalienergia, kun se kiipeää kauemmas maasta. Kun painovoima vetää sitä, sen nopeus laskee, kunnes se saavuttaa pisteen, jossa kaikki kineettinen energia on muuttunut painovoimapotentiaalienergiaksi. Tässä vaiheessa raketti alkaa pudota.
Kaatuminen maan päälle
Kun pulloraketti putoaa, painovoimapotentiaalienergia muuttuu kineettiseksi energiaksi, ja pullorakettien nopeus kasvaa nopeasti. Lopulta se osuu maahan, missä sen kineettinen energia hajoaa molekyylien satunnaisena liikkeenä jalkakäytävässä - toisin sanoen lämpöä.
Saatat huomata, että pullorakettien noustessa ja laskiessa mikään energia "ei katoa" - kaikki energia joko muuttuu muodosta toiseen tai muuttuu lämmöstä kitkaan ja ilmankestävyyteen. Termodynamiikan ensimmäisen lain mukaan energiaa ei voida luoda eikä tuhota; se vain muuttuu yhdestä muodosta toiseen.