Содержание
По сравнению с космическим челноком NASA или космическим кораблем Chinas Shenzhou ракета-носитель является относительно простым делом - просто бутылка содовой, наполненная водой и сжатым воздухом. Но эта простота обманчива. Бутылка-ракета на самом деле является отличным способом понять и подумать о некоторых основных понятиях в физике, таких как различные формы энергии, ее сила и потенциал.
Потенциальная энергия
Объект обладает потенциальной энергией благодаря своей конфигурации или положению в силовом поле. Если два положительных заряда сближаются, они увеличивают потенциальную энергию. Если вы берете воздух и сжимаете его, это вводит энергию, и повышенное давление сжатого воздуха является мерой его потенциальной энергии на единицу объема. Когда ракета бутылки открывается, воздух внутри имеет большее давление, чем воздух снаружи, поэтому он расширяется и выталкивает воду из бутылки. На каждое действие существует равная и противоположная реакция; поэтому нисходящая сила, создаваемая этим расширением и выталкиванием, в свою очередь толкает ракету вверх.Потенциальная энергия, запасенная в сжатом воздухе, преобразуется в кинетическую энергию.
Кинетическая энергия
Кинетическая энергия - это энергия движения. Движущийся или падающий объект, такой как ракета, обладает кинетической энергией. Молекулы и частицы внутри объекта также имеют кинетическую энергию, потому что они постоянно вибрируют или движутся. Когда молекулы газа сталкиваются с поверхностью материала, ограничивающего их, они оказывают на него силу. Сила, деленная на площадь, равна давлению. Вот почему уменьшение объема газа увеличивает его давление - молекулы ограничены меньшей площадью, но их средняя кинетическая энергия не изменилась, поэтому сила, которую они оказывают на материал вокруг них, увеличивается.
Гравитационно потенциальная энергия
Когда ваша ракета поднимается, кинетическая энергия движения превращается в гравитационную потенциальную энергию. Ракета движется дальше от поверхности Земли, так что, подобно отрицательному и положительному заряду, перемещенному друг от друга, ракета обладает большей потенциальной гравитационной энергией, когда она поднимается все дальше от земли. Когда гравитация притягивает его, его скорость уменьшается, пока не достигнет точки, где вся кинетическая энергия была преобразована в потенциальную гравитационную энергию. В этот момент ракета начинает падать.
Падение на Землю
Когда ракета бутылки падает, потенциальная гравитационная энергия превращается в кинетическую энергию, и скорость ракеты бутылки быстро увеличивается. В конце концов, он ударяется о землю, где его кинетическая энергия рассеивается как случайное движение молекул в асфальте - другими словами, как тепло.
Вы можете заметить, что во время взлета и падения ракеты-носителя никакая энергия «не исчезает» - вся энергия либо трансформируется из одной формы в другую, либо изменяется от тепла к трению и сопротивлению воздуха. Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена; это просто изменяется из одной формы в другую.