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水火箭
來源:互聯網

“水火箭”又稱氣壓式噴水火箭、水推進火箭,是用飲料瓶和氣壓作用設計的玩具。

“水火箭”制作較為方便,利用日常生活廢棄的飲料瓶即可制作火箭的動力艙、箭體、箭頭、尾翼、降落傘。

為了為水火箭提供沖天的動力,需要向貯存了部分水的火箭箭體充氣,在瓶內外達到足夠氣壓差時,利用箭體內高氣壓壓出來的水的反向作用力將水火箭箭體推出,其中,水就相當于航天火箭中的燃料,火箭質量與艙內壓強對火箭的發射過程起至關性作用。水火箭能發射升空,是因為‘水火箭’利用加壓后的空氣把水從‘火箭’尾部的噴嘴向下高速噴出,在反作用下,‘水火箭’快速上升,具有一定的加速度在空中飛行,在空中打開降落傘徐徐降落。它的原理就是中學生物理課上的動量守恒和沖量定理

玩具簡介

“水火箭”又稱氣壓式噴水火箭、水推進火箭。這種“水火箭”制作較為方便,利用日常生活廢棄的飲料瓶即可制作火箭的動力艙、箭體、箭頭、尾翼、降落傘。火箭模型制作完成后,再灌入一定體積的水,在注意安全操作下利用打氣筒充入空氣到達一定的壓力后即可發射。水火箭的動力來源為:向貯存了部分水的箭體充氣,當瓶內外形成足夠氣壓差時,箭體內高氣壓將水從尾部噴嘴高速噴出,利用水的反向作用力推動箭體升空(水相當于航天火箭的燃料),其核心原理是中學生物理課上的動量守恒和沖量定理。

制作方法

制作材料

“水火箭”制作和發射原理跟真火箭一致,艙體主要由飲料瓶銜接而成把水注入“動力艙”加入高壓,在反沖力的作用下“水火箭”即能快速升空,升空高度目測為100米至120米。水火箭是用回收的塑料瓶、PVC管、雨傘傘面、橡皮筋等原材料模仿真火箭的零件造型。“水火箭”實驗材料:兩個2.5L可樂瓶,尼龍繩、塑料袋、電工膠帶、雙面膠。

制作步驟

制作步驟:

一、制作動力艙:

1、畫定位線:取一2.5L可樂瓶,撕掉瓶身包裝紙,用記號筆在瓶身中部平均畫出四條尾翼定位線。

2、制作尾翼:取四個塑料掛牌,繪出尾翼形狀,并用剪刀將其裁剪下來,翻折并將掛牌內部粘上雙面膠。

3、組裝:將制作好的尾翼按如圖所示方向沿著剛才的定位線用雙面膠固定在瓶身外,再用電工膠帶將尾翼兩端固定。

二、制作降落傘倉:

1、切割可樂瓶:另取一2.5L可樂瓶,切下瓶子的頭部和尾部,使頭部能正好卡住尾部并保證傾斜時頭部能滑落。

2、制作火箭頭:取一透明文件套,用圓規刀裁一個直徑為20cm的圓,將此圓片平均分成三份,并取其中一份用電工膠帶將其粘接成圓錐形。

3、組裝:將制作好的箭頭用電工膠帶固定到傘艙頂部,使其結構完整。另取一根60cm長的尼龍線,一端卡在動力艙和傘艙底部的連接處,并用電工膠帶固定。繩子另一端穿過箭頭內部的可樂瓶口,鎖緊蓋子將繩子固定。將火箭頭組裝完成,用電工膠帶固定。

三、制作降落傘:

1、裁切塑料袋:取一較大且質量較好的塑料袋,將其裁剪成正八邊形。

2、安裝傘繩:取八根長為45cm的尼龍線,用電工膠帶分別粘貼至降落傘的八個角,將繩子另一端系到一起。

3、將降落傘的傘繩固定在傘艙尼龍繩的中間部位。

四、將各部分組裝完成并美化。

發射操作

水火箭發射小實驗首先先往“動力艙”里注入約1/3的水,再將水火箭放置在發射架上,隨后將打氣筒和發射架用導管相連,其次再注入氣體,最后按動發射架上的發射器,火箭就可以起飛了。

核心技術

通過學生實驗結果分析,得到在水量為225 ml時氣壓從2.4到3.2個標準大氣壓變化時,水火箭的飛行高度隨氣壓的增大而增大,且在氣壓為2.8個大氣壓時圖像的斜率最大,說明在氣壓為2.8個大氣壓時改變氣壓,水火箭的飛行高度變化最明顯。可以看出在水火箭瓶內為3個標準大氣壓、水量為250 ml時水火箭的飛行高度比225ml和300ml的低,其可能的原因是水火箭發射時不垂直地面,導致飛行軌跡為拋物線,飛行高度下降。

無平衡倉的水火箭在飛行過程中為翻滾旋轉上升,飛行的高度也大大減低。這是因為當只有一個瓶子時,水火箭發射時會由于水火箭的本體比較短,底部的沖力比較大,水火箭很難保持穩定導致翻滾旋轉。從能量觀的角度是因發射的能量有一部分轉化給了翻滾旋轉,導致飛行的高度降低。

基本原理

為了為水火箭提供沖天的動力,需要向貯存了部分水的火箭箭體充氣,在瓶內外達到足夠氣壓差時,利用箭體內高氣壓壓出來的水的反向作用力將水火箭箭體推出,其中,水就相當于航天火箭中的燃料,火箭質量與艙內壓強對火箭的發射過程起至關性作用。在制作過程中,水火箭的噴口是最為重要的,密封一定要好,否則不能提供良好的壓力。氣針在木塞中也要達到密不透水,最好用燒紅的針尖穿洞。如果還有漏水情況,可以在氣針上加裝一個圓珠筆芯,圓珠筆芯的頂端伸出水面,可防止打氣時氣泡的翻滾和漏水情況。

水火箭能發射升空,是因為‘水火箭’利用加壓后的空氣把水從‘火箭’尾部的噴嘴向下高速噴出,在反作用下,‘水火箭’快速上升,具有一定的加速度在空中飛行,像火箭一樣有飛行軌跡,水噴完后加速結束,最后達到一定高度,在空中打開降落傘徐徐降落。它的原理就是中學生物理課上的動量守恒和沖量定理。盡管模擬的是運載火箭發射,但“水火箭”使用的推進劑并非真實的火箭燃料,而是普普通通的水。

影響因素

主要因素

實驗中進行了多次水火箭的發射試驗,其中包括:(1)水火箭的試發實驗;(2)水火箭的飛行與氣壓的關系實驗;(3)水火箭的飛行與水量的關系實驗;(4)水火箭的飛行與其重量的關系實驗;(5)水火箭的飛行與其容積大小的關系實驗;(6)水火箭與發射仰角的關系實驗等。

(一)主要因索:1、角度:這是一個重要因素,水火箭的發射角度方面,須考慮向上分力及向前分力適中、各種外界因素的影響以及發射仰角。實驗表明,發射仰角為45°到55°之間(約為52°)時,可以達到最大的射程。火箭氣壓1個單位,水量50mL,角度55°時,飛行距離為12.8m,而當角度改為45°時,飛行距離為11.9m。

2、水量:一個較難研究的變量,實驗證明,當水火箭灌滿水時,其發射十分困難。水的密度是空氣的771倍,在空氣中釋放的那一刻產生大量的反作用力。我做過一個實驗,把水換成放幾滴墨的黑水發射,在發射的那一刻,所有墨水都一次性地直接噴出,在空中沒有任何黑水流下,可見在釋放的那一刻,能量十分巨大。

關于水量的多少:水占瓶子容量的三分之一到二分之一時最佳,在實驗中對各種水量都進行了測試,結果表明,在使用600mL容量的水火箭時,把水量維持在200-270mL為佳,射得最遠。在水量為50mL、氣壓2個單位、角度60°時,射程為32.8m;當水量改為100 mL時,射程為41.6m;當水量改為200mL時,射程為45m。可見水量在200~270mL時比較適宜。根據水火箭要加水的原理,加大水的密度可以增加其發射距離。當把水改為鹽水時,發射的距離稍稍增加,但沒有做太多過于密度的實驗。

3、氣壓:這是水火箭發射的最主要因素,它可以從根本.上改變火箭的發射距離。當氣壓為2個單位時,其他因素不變,發射距離是1個單位的2倍。當然氣壓不像水量有一個固定的取值范圍,在取值范圍內飛得最遠,氣壓是無限量的,氣壓越大飛得越遠。

其他因索

1、火箭的外形:火箭呈流線型,減小空氣阻力。最好保持在一個相對較平衡的重量,這樣可使水火箭在空中保持重心,不會因擺動而釋放了本應用在向前飛行的能量,可讓其飛得更遠。

2、箭身厚度:最好厚一些,較厚的瓶身可使其中的氣壓大到一定程度而不讓瓶子爆裂。建議使用雪碧瓶子,不要用礦泉水瓶,尤其是康師傅控股瓶。

3、箭身重量:在實驗中,拿兩個水火箭進行了發射,一個是沒有經過任何處理的雪碧瓶,約27g;一個是安裝了尾翼和箭頭的,約77g。實驗證明,在瓶中氣壓較小時,雪碧瓶完勝水火箭;而當瓶中氣壓加大時,尾翼和箭頭的作用才能凸現出來。

4、箭身容積:用1.25L的可樂瓶和500mL的雪碧瓶進行了測試,實驗證明,當火箭的容積更大時,飛行距離更遠。

5、尾翼:重要的零件,使火箭在空中保持平衡,讓火箭飛得更遠。實驗證明,三尾翼不僅比四尾翼更具觀賞性,也飛得更遠。

6、風力:順風飛得遠,逆風相反。由于技術因索,沒有多做這方面的實險。當然,在逆風時,火箭頭和尾翼的作用便凸顯出來。

7、溫度:影響較小的一個因素,幾乎微乎其微。實驗證明,氣溫高時火箭飛行得較遠。

衍生賽事

2023年11月30日,第20屆南海區“詹天佑杯”青少年科技創新大賽水火箭挑戰賽決賽在獅山鎮石門高級中學舉行。本次水火箭挑戰賽決賽包含展示環節和發射環節。在展示環節中,選手們圍繞水火箭發射原理、火箭結構與特點、設計理念及設計過程等維度進行作品介紹。發射環節則是比賽的“重頭戲”,不僅要比拼發射高度,還將從是否開傘降落、中學組作品是否可以實現箭體分級飛行等方面進行評比。

2019年7月,濟南市東南部山谷中,水火箭世界飛行記錄達到830米,這一成績是由開普敦大學的數位學生創造。濟南小龍人復賽選手的最高成績達到113米,作為6-10歲的小朋友成績也已十分驚人。

參考資料 >

用飲料瓶制作“水火箭”居然發射成功?!中國航天后繼有人.新華網.2023-12-12

以水為火 一飛沖天 | 水火箭比賽回顧.中國礦業大學大學生科學技術協會.2023-12-15

一個“水火箭”,沸騰了整個操場.中國新聞網.2023-12-12

水火箭制作教程.人民資訊.2023-12-13

【逐夢航天】航天日話夢想,一起奔赴星辰大海.澎湃新聞.2023-12-15

“水火箭”賽事氣氛熱烈 南海學子爭奪名次“各顯神通”.中國新聞周刊.2023-12-12

.澎湃新聞.2023-12-16

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