Napompowany balon puszczony na sznurku mknie z jednego końca pokoju na drugi. Działa dokładnie tak samo jak prawdziwa rakieta kosmiczna.

Co nam będzie potrzebne?

Żyłka działa lepiej niż sznurek – ma mniejsze tarcie i balon mknie szybciej. Sznurek musi być naciągnięty poziomo – luźny sznurek spowalnia balon.

Jak wykonać doświadczenie?

Przewlecz sznurek przez słomkę – słomka będzie “prowadnicą”, po której balon ślizga się wzdłuż toru.

Przywiąż jeden koniec sznurka do krzesła, klamki lub gwoździa w ścianie. Drugi koniec naciągnij mocno i przywiąż do punktu po przeciwnej stronie pokoju lub korytarza – im dłuższy tor, tym lepiej.

Napompuj balon, ale nie zawiązuj – przytrzymaj wylot palcami, żeby powietrze nie uciekło. Poproś kogoś o pomoc: jedną osobą trzyma balon, druga przykleja go taśmą klejącą do słomki (dwa paski taśmy po bokach słomki, prostopadle do niej). Balon powinien być skierowany wylotem w stronę, z której chcesz go odpalić.

Przesuń balon z przyczepioną słomką na jeden koniec sznurka. Puść palce trzymające wylot balonu – i obserwuj. Balon mknie wzdłuż sznurka od jednego końca do drugiego, aż powietrze się wyczerpie.

Dla porównania: puść zwykły balon bez sznurka, tylko trzymając go i puszczając. Leci chaotycznie w losowych kierunkach – bo nie ma nic, co by go prowadziło.

Wyjaśnienie naukowe

Działanie balonu-rakiety opisuje trzecia zasada dynamiki Newtona: każdej akcji towarzyszy równa i przeciwna reakcja.

Powietrze w napiętym balonie jest pod ciśnieniem wyższym niż atmosferyczne. Gdy puszczasz wylot, powietrze zaczyna gwałtownie uciekać w jedną stronę. Zgodnie z trzecią zasadą Newtona: to, że powietrze “popycha” na zewnątrz (akcja), oznacza, że równocześnie powietrze “popycha” balon w kierunku przeciwnym (reakcja). Balon ucieka od strumienia powietrza.

To dokładnie ten sam mechanizm, który napędza rakiety kosmiczne – z jedną ważną różnicą: rakiety nie mają żadnego otworku z przodu, przez który powietrze “wchodzi”. Silnik rakietowy spala paliwo i wyrzuca spaliny z ogromną prędkością przez dyszę w tył. Reakcja na ten wyrzut pcha rakietę do przodu – w próżni kosmicznej, gdzie nie ma powietrza ani nic do odepchnięcia. To właśnie trzecia zasada Newtona umożliwia loty kosmiczne.

Dlatego intuicja “rakieta odpycha się od powietrza” jest błędna – rakieta odpycha się od własnych spalin, a nie od powietrza. Nasz balon robi dokładnie to samo: odpycha się od uciekającego z niego powietrza.

Sznurek pełni rolę toru – bez niego balon kręciłby się chaotycznie, bo wylot nie jest idealnie symetryczny i balon skręca w bok. Na sznurku cały ruch jest skierowany w jedną stronę.

Warianty

Wyścig balonów – naciągnij dwa sznurki równolegle i puść dwa balony jednocześnie. Który doleci szybciej? Sprawdź, czy rozmiar balonu, długość lub kształt (okrągły vs. podłużny) mają znaczenie.

Rakieta z obciążnikiem – przyklej do słomki mały ołówek lub monetę jako “ładunek”. Obserwuj, jak dodatkowy ciężar wpływa na prędkość balonu. Im cięższy ładunek, tym trudniej rakiecie go unieść – tak samo jak rakiety kosmiczne muszą nieść ogromne ilości paliwa, żeby wypchnąć ciężki ładunek na orbitę.

Lot w górę – zamiast poziomego sznurka naciągnij go pod kątem (jeden koniec wyżej, drugi niżej). Puść balon z dołu i zmierz, jak wysoko wjedzie. Powtórz z różnymi stopniami napompowania – czy bardziej napompowany balon wjedzie wyżej?

Często zadawane pytania

Dlaczego balon-rakieta zwalnia przed końcem sznurka? Bo powietrze w balonie kończy się stopniowo – ciśnienie spada i siła napędowa maleje. Na początku wycieku powietrze ucieka z dużą prędkością (duże ciśnienie), pod koniec – z małą (małe ciśnienie). Siła jest proporcjonalna do prędkości wycieku, więc balon zwalnia w miarę opróżniania.

Czy rakieta kosmiczna działa tak samo w próżni bez powietrza? Tak – i właśnie to jest najważniejszy punkt. W próżni nie ma powietrza, od którego rakieta mogłaby się “odbić”. Rakieta popycha swoje spaliny w tył z ogromną prędkością, a te spaliny “popychają” rakietę do przodu. Trzecia zasada Newtona działa niezależnie od obecności powietrza. Nasz balon też nie odpycha się od powietrza w pokoju – odpycha się od powietrza, które wylatuje z jego środka.

Co decyduje o prędkości balonu? Prędkość wylotowa powietrza (im wyższe ciśnienie w balonie, tym szybciej ucieka powietrze) i masa balonu (lżejszy balon przyspiesza łatwiej). Żyłka zamiast sznurka zmniejsza tarcie i też zwiększa prędkość. To samo działa w inżynierii rakietowej: wysoka prędkość spalin + mała masa rakiety = duże przyspieszenie.