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Comparée à une navette spatiale de la NASA ou de la Chine, une fusée-bouteille est une affaire relativement simple: une simple bouteille de soda remplie d’eau et d’air comprimé. Mais cette simplicité est trompeuse. Une bouteille-fusée est en fait un excellent moyen de comprendre et de réfléchir à certains concepts de base de la physique, tels que les différentes formes d’énergie, sa force et son potentiel.
Énergie potentielle
Un objet a une énergie potentielle en raison de sa configuration ou de sa position dans un champ de force. Si deux charges positives se rapprochent, elles ont un potentiel d'énergie accru. Si vous prenez de l'air et que vous le compressez, cela consomme de l'énergie et la pression accrue de l'air comprimé est une mesure de son énergie potentielle par volume. Lorsque la bouteille se décapsule, l'air à l'intérieur a une pression supérieure à celle de l'air extérieur, de sorte qu'il se dilate et expulse de l'eau de la bouteille. Pour chaque action, il y a une réaction égale et opposée; la force exercée par cette expansion et cette expulsion pousse à son tour la fusée vers le haut.L'énergie potentielle stockée dans l'air comprimé se traduit par une énergie cinétique.
Énergie cinétique
L'énergie cinétique est l'énergie du mouvement. Un objet en mouvement ou en chute, comme la fusée à bouteille, possède une énergie cinétique. Les molécules et les particules à l'intérieur d'un objet ont également une énergie cinétique, car elles vibrent ou se déplacent constamment. Lorsque les molécules de gaz entrent en collision avec la surface du matériau les confinant, elles exercent une force. La force divisée par la surface est égale à la pression. C’est pourquoi la réduction du volume d’un gaz augmente sa pression - les molécules sont confinées dans une zone plus petite, mais leur énergie cinétique moyenne n’a pas changé, de sorte que la force qu’elles exercent sur le matériau qui les entoure augmente.
Énergie potentielle gravitationnelle
Lorsque votre fusée monte, l'énergie cinétique du mouvement se traduit par une énergie potentielle gravitationnelle. La fusée s'éloigne de la surface de la Terre. Par conséquent, tout comme une charge positive et une charge négative qui s'éloignent l'une de l'autre, la roquette a une énergie potentielle gravitationnelle plus élevée lorsqu'elle s'éloigne du sol. Lorsque la gravité tire dessus, sa vitesse diminue jusqu'à atteindre un point où toute l'énergie cinétique a été transformée en énergie potentielle gravitationnelle. À ce stade, la fusée commence à tomber.
Tomber sur terre
Lorsque la bouteille tombe, l’énergie potentielle gravitationnelle se transforme en énergie cinétique et la vitesse de la bouteille augmente rapidement. Finalement, il frappe le sol, où son énergie cinétique se dissipe sous forme de mouvements aléatoires de molécules dans la chaussée, autrement dit sous forme de chaleur.
Vous remarquerez peut-être que pendant la montée et la chute de la fusée à bouteille, aucune énergie ne "disparaît" - toute énergie se transforme d'une forme à l'autre ou passe de la chaleur à la friction et à la résistance de l'air. Le premier principe de la thermodynamique est que l’énergie ne peut être ni créée ni détruite; cela change simplement d'une forme à une autre.