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Rispetto a una navetta spaziale della NASA o alla navicella spaziale Chinas Shenzhou, un razzo bottiglia è un affare relativamente semplice - solo una bottiglia di soda piena di acqua e aria compressa. Ma quella semplicità è ingannevole. Un razzo bottiglia è in realtà un ottimo modo per comprendere e pensare ad alcuni concetti di base in fisica, come le diverse forme di energia, la sua forza e il suo potenziale.
Energia potenziale
Un oggetto ha energia potenziale in virtù della sua configurazione o della sua posizione in un campo di forza. Se due cariche positive si avvicinano, aumentano l'energia potenziale. Se prendi aria e la comprimi, questo immette energia e l'aumento della pressione dell'aria compressa è una misura della sua energia potenziale per volume. Quando il razzo della bottiglia si sblocca, l'aria all'interno ha una pressione maggiore rispetto all'aria esterna, quindi si espande ed espelle l'acqua dalla bottiglia. Per ogni azione c'è una reazione uguale e contraria; così la forza verso il basso esercitata da questa espansione ed espulsione a sua volta spinge il razzo verso l'alto.L'energia potenziale immagazzinata nell'aria compressa si traduce in energia cinetica.
Energia cinetica
L'energia cinetica è l'energia del movimento. Un oggetto in movimento o in caduta come il razzo bottiglia ha energia cinetica. Anche le molecole e le particelle all'interno di un oggetto hanno energia cinetica, perché vibrano o si muovono costantemente. Quando le molecole di gas si scontrano con la superficie del materiale che le confina, esercitano forza su di esso. La forza divisa per l'area è uguale alla pressione. Ecco perché ridurre il volume di un gas aumenta la sua pressione: le molecole sono confinate in un'area più piccola, ma la loro energia cinetica media non è cambiata, quindi aumenta la forza che esercitano sul materiale che li circonda.
Energia potenziale gravitazionale
Man mano che il tuo razzo aumenta, l'energia cinetica del movimento si traduce in energia potenziale gravitazionale. Il razzo si sta allontanando ulteriormente dalla superficie terrestre, quindi proprio come una carica negativa e positiva allontanata l'una dall'altra, il razzo ha un'energia potenziale gravitazionale più elevata mentre si arrampica più lontano dal suolo. Mentre la gravità la attira, la sua velocità diminuisce fino a raggiungere un punto in cui tutta l'energia cinetica è stata trasformata in energia potenziale gravitazionale. A questo punto, il razzo inizia a cadere.
Cadere sulla Terra
Quando il razzo a bottiglia cade, l'energia potenziale gravitazionale si trasforma in energia cinetica e la velocità del razzo a bottiglia aumenta rapidamente. Alla fine, colpisce il terreno, dove la sua energia cinetica si dissipa come movimento casuale di molecole nel pavimento - in altre parole, come calore.
Potresti notare che durante l'ascesa e la caduta del razzo della bottiglia, nessuna energia "scompare" - tutta l'energia si trasforma da una forma all'altra o cambia da calore a attrito e resistenza all'aria. La prima legge della termodinamica sostiene che l'energia non può essere né creata né distrutta; cambia semplicemente da una forma all'altra.