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水火箭

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摘要

水火箭(Water rocket)又称气压式喷水火箭、水推进火箭。是一个利用质量比和气压作用而设计的玩具,同时是物理教学中著名的案例之一,可以培养学生对于物理学习的兴趣,而其中蕴含的物理原理是了解物理中力学的重要的基础。材料一般用废弃的饮料瓶制作成动力舱、箭体、箭头、尾翼、降落伞。

水火箭 概述

水火箭又称气压式喷水火箭、水推进火箭。是利用废弃的饮料瓶制作成动力舱、箭体、箭头、尾翼、降落伞。灌入一定数量的水,利用打
水火箭
水火箭
气筒充入空气到达一定的压力后发射。是利用水和空气的质量之比(水的密度是空气的816倍),压力空气把水从火箭尾部的喷嘴向下高速喷出,在反作用下,水火箭快速上升,加速度、惯性滑翔在空中飞行,像导弹一样有一个飞行轨迹,最后达到一定高度,在空中打开降落伞徐徐降落的火箭模型。 
 水火箭是寓教于乐、花百元钱、科技含量高,深受广大青少年喜爱的动手、动脑的科普教材。可以让学生直观了解导弹,运载火箭的发射升空,回收的过程,导弹的飞行与飞机的飞行原理及不同点。解释牛顿第一、第二、第三定律(作用与反作用、惯性、能量守恒定律)了解一些基本的空气动力学和飞行力学等方面知识。使广大青少年了解航天科技,热爱航天科技,为国家航天事业培养、造就、输送优秀人才

水火箭 发射原理

用橡皮塞紧的瓶子,形成一个密闭的空间.把气体打入密闭的容器内,使得容器内空气的气压增大,当超过橡皮塞与瓶口接合的最大程度时,瓶口与橡皮塞自由脱离,箭内水向后喷出,获得反作用力射出.水火箭和火箭最大的不同,在于其推进的媒介由高温空气变成水而已。在发射水火箭前会灌入空气达一定压力,由于高压会自然向低压流去,故在喷嘴被打开时,空气自然向喷嘴流去,但由于水挡在前方,故水会被空气推出火箭,而火箭也借此获得向前的速度。

水火箭 制作


材料准备

2~6个2.25L的可乐瓶、剪刀、单面刀片、木塞、球类气针、圆珠笔芯、订书机、双面胶、彩色装饰纸.桌布等轻便不透风的材质
制作过程

1.增压塞制作:用小刀切下橡皮塞较粗的一端,切口直径为2.3cm,穿过小孔装上气门芯、胶管、和螺帽,将橡皮塞用力塞进瓶口内,其露在瓶口外的部分不超过约2mm;用剪刀在饮料瓶盖中间挖一个直径约12mm的孔,以便使旋紧瓶盖时仅让气门芯露在外面。
2.侧翼的制作:用硬纸片剪下侧翼四个,为了使火箭飞行时有较好的稳 定性,侧翼必须有较高的硬度,如果纸片片硬度不够,可将两片或三片粘叠在一起制作,剪好侧翼后,将“粘贴爪”交替地折回两侧,用透明胶带对称地粘贴在火箭的下部侧面。
3.取出其中一个可乐瓶,大约以1/3的间距切成三等份.如图2,留下瓶口及中段部分,将第二个可乐瓶倒过来.如图3,将第一个的瓶口盖在第二个可乐瓶的瓶底,再将第一个的中段瓶身盖在第二个可乐瓶的瓶口.盖上后,用双面胶粘紧.再找出一个硬纸板,剪出平衡翼,平衡翼的数量为4个.太大的平衡翼很重,太小的起不了平衡作用.
4.制作降落伞,将一张正方型的桌布对边折,再对边折,以中点为心,对折2次,用剪子剪下多余部分,使它成圆形,贴好线。1 准备材料。三四个2.5升的健力宝瓶或可乐瓶, 若干X光片,几个化学器材用的3号和4号软胶塞,一整套单车气门心,剪刀、小刀各一把,透明胶、双面胶和绝缘胶布,502胶水一支。
5.(1)机翼制作。用剪刀将X光片裁成大小相同的直角梯形28块,梯形长12cm,高6cm,斜腰和长底夹角约45度。另裁4个同上规格但高为8cm,短底相连接两面重叠的梯形(用作机翼的表面)。用双面胶将7小块梯形紧密粘成一个厚的梯形,使之平直平坦,然后用一个大的双面梯形将其紧密包住并粘紧。为使机翼的厚面平整,可用剪刀或小刀修平修直,然后将机翼的厚面用绝缘胶封住。最后,将机翼两边长出的部分向外折成90度。这样,按上述方法将其余的X光片做成三个机。 (2) 机身制作。取一个健力宝瓶(瓶头弧线过度比较自然,作火箭头利于减小空气阻力)在离下端11cm处将其横截剪开,用绝缘胶将带瓶口的部分粘紧在另一个瓶子的底部,用绝缘胶在接口处多缠绕几圈以牢固。 (3) 气塞制作。取一个4号的软胶塞,用开洞工具在胶塞的底部正中处开一个比气门芯套筒稍小一点的平直洞,然后用小刀横切去细端约0.6cm;将气门芯套筒上一个面积较大的“戒指”(五金店有卖),从软胶塞的细端往上把气门芯装好,套上一个同样的“戒指”,拧上螺丝,稍微紧就可以。最后将气塞用磨刀石磨成圆柱体,达到刚好能够完全进入可乐瓶口或稍紧一点,装上气门芯即可使用。 (4) 炮头制作。取一个3号软胶塞用小刀将其削尖且圆滑。 (5) 组装机翼。取一个健力宝瓶剪一个长比机翼长稍长的两面相通的圆柱体,然后用透明胶和绝缘胶将4个机翼4等分紧密粘好。最后,将粘好机翼的圆柱体套在水火箭的底部使其与瓶口相平(这不一定是最佳位置,可在飞行实践中上下调节寻找确定),用绝缘胶缠绕粘紧。 (6) 其他。为增大气塞和瓶口的接触面以增大瓶内气压,可用小刀将气塞大端削细一点并使之圆平粗糙。由于机身增长了一节做火箭头,火箭头部分较轻不平衡,可适当往里面塞纸以达到平衡。为尽可能减小空气阻力,将用软胶塞做成的炮头用502胶水在火箭头瓶口粘好。 按以上方法一个简单的水火箭便制作完成。根据我们研制的水火箭,通过实践的改进,水平方向飞行可达160米左右,竖直方向飞行可达40~50米。
水火箭发射方法: 1. 水量调控。水火箭用水量和火箭容气空间有一定的比例,不能太多也不能太少,最佳用水量约为火箭容气空间的1/4到2/5之间(2.5升的空间大约装600毫升左右,可多试验几次寻找确定)。
2. 发射角度。水平方向飞行,由于空气的阻力,发射的最佳角度在50到55度之间,不同的水火箭可能不同,可通过控制变量的方法试验确定。(我们制作的水火箭最佳角度是53度左右)。竖直方向飞行则为90度。
3. 气塞使用。气塞的使用原理是通过压缩软胶塞体积膨胀来调节气塞的松紧程度,压缩越厉害体积膨胀越大,气塞越紧,要把气塞冲出来的气压就越大,即火箭获得的动力越大。具体使用方法如下:首先拆下气塞的气门芯,将气塞在原形塞进火箭的瓶口内,然后用套筒(一种专门用来拧螺丝的工具,五金店有卖)拧紧气塞的螺丝,最后安装气门芯即可加气使用。(注:拧紧程度可按需要来调节。)
4. 发射稳定调控。仅讨论水平方向的发射。需要制作一个发射台,发射台要配有导航轨道,导航轨道不要太长也不要太短,一般长为60cm(可用三个教学用的大三角板和两根扫帚柄拼凑而成,为减少扫帚柄作导航轨道时对水火箭的摩擦,可用透明胶粘贴扫帚柄或如图例所示的模型)。无风天气时,正对目标按最佳发射角度(指发射轨道与地面的夹角)发射。刮风天气时,应视风力和风向适当调偏与发射目标的方向,保持最佳发射角度发射。
5. 注意事项。发射时,确保火箭和轨道的平直一致,若偏离1~2度都会影响飞行的平稳性而呈“8”字型飞行。用气筒打气时,要尽可能平稳,打气频率不要太慢应快点。要尽可能将气塞塞紧,可通过拧紧气塞的螺丝来调节,气塞塞得越紧瓶内气压越大而火箭的动力就越大。 取第一个瓶子,称之为A瓶。在瓶子上下1-1、2-2的位置各画一条线,两条线位置的决定方法如下。1-1:选瓶上弧线曲度与火箭泡棉头曲度相近处。2-2:选瓶子下方曲线转直点的下方约0.5cm处。
自1-1线上方、2-2线下方约0.5cm处用美工刀(或剪刀)切(剪)开。
用剪刀慢慢修剪至画线处,尽量使其平整,以便与B瓶衔接时可以较为密合。 将火箭泡棉头放置於A瓶上方,由正上方看泡棉头是否对准保特瓶之正中央位置。若已放正,则使用电工胶布缠绕於相接处,加以固定。 取另一个瓶子称之为B瓶,将瓶盖卸下,然后将喷嘴由保特瓶开口处旋紧。 将A、B瓶相连接。然后至於平坦之桌面或地上滚动,看看是否连接平整,滚动是否平顺。若是,则以电工胶布加以固定。 取第三个瓶子,称为C瓶。在瓶子3-3、4-4之位置各画一条线。3-3:选瓶子上方曲线转折点的下方约0.5cm。 4-4:选瓶子下方曲线转折点的下方约0.5cm。 自3-3线上方、4-4线下方约0.5cm处用美工刀(剪刀)切(剪)开。 将厚纸板对折,然后用铅笔画出四个梯形。然后用剪刀沿线剪开。注:尾翼之尺寸、形状,可以做不同的变化,以测试 其对飞行有何影响。 同样以投影片至做出与厚纸板规格相同之梯形。 将制作好之投影片包覆於厚纸板梯形之外侧,可以先使用双面胶带将投影片及厚纸板接合在一起,然后使用电工胶布将其三边贴过。 用双面胶带贴於摺起部分之底部。此步骤为了将做好之四个尾翼年贴於C瓶。 四个尾翼完成图。 将四片尾翼年贴於C瓶上,需确定为十字对称,如此才能平衡。 先以电工胶布黏贴於尾翼两侧,黏贴时须注意电工胶布的长度须够长,上方需比尾翼高约一个胶带的高度,下方反折入C瓶内,以增加牢固程度。再以电工胶布缠绕於尾翼上方约两圈。 将C瓶与B瓶用电工胶布做连接。注:同样须注意保持水火箭箭身的笔直以确保飞行方向的准确。
制作重点

在制作过程中,喷口是最为重要的,密封一定要好,否则不能提供良好的压力.气针在木塞中,也要达到密不透水,最好用烧红的针尖穿洞。如果还有漏水情况,可以在气针上加装一个圆珠笔芯,圆珠笔芯的顶端伸出水面,可防止打气时气泡的翻滚和漏水情况。降落伞的线一定要粘牢,不然压力过大,可能会使线从伞身上掉落。

水火箭 世界纪录


高度为2044英尺,约合623米。该火箭外形奇特,远看类似一根筷子。由专业团队在进行多次数据采集分析计算后,设计而成,外部采用特殊材料制作而成。与传统水火箭制作工艺和理念都有较大差异。

水火箭 研究方法


水火箭的竖直升高高度与瓶内水位的关系
水火箭水火箭

水火箭的竖直升高高度与瓶内水位的关系可以通过做实验的方法获得:通过实验得出,当水量为1/3时,水火箭飞的最高.由实验结果看出:气压与射程成正比.这是因为气压越大,喷水的力量越大,水火箭的冲量越大,水火箭做反冲运动.而在发射水量为1000ml以上时,水火箭中的水未喷完,由于气压减小就停止了加速,增加水火箭的重量,使水火箭受重力影响而提前坠落了.质量越大,所需提供的动量就越大,当质量一定时,速度越大动量越大.而提高速度的方法是提高单位时间内的喷水量.所以,只有当水火箭内的气压与水量适当时,才能飞地更远更高.实验中发现,若水量大于固定气压所能喷射的上限,则水火箭中的水不会喷完,要如何避免水喷不完的情形呢?根据PV=nRT,可求出一定气压所能喷出的水量上限.若是水量不够一定气压所能喷出的水量被较早喷完.根据理论,发射时我们先量出能灌进水火箭的最大值,再算出此气压能喷出的最大水量,根据此两数据装水灌气,即可达到水火箭之最大射程(Pmax=Fmax×Mmax).
怎样提高水火箭的稳定性
水火箭在上升过程中,并不是竖直向上升的,经常横着或侧着瓶身上升.这就要求我们必须提高它的稳定性,使它竖直上升.提高它的稳定性,就得考虑大气阻力的作用.首先,水火箭顶部应为尖的,以便于减小空气阻力;其次瓶体形状应接近流线型,这样便于气流的通过;要使它竖直上升,还要在放置的时候使它竖直,我们就取了一个三角架,把水火箭支住(不是紧套)使它能竖直地立着.
发射轨道对射程的影响
固定水量600ml,发射仰角50°.利用无轨发射架和70cm发射架分别发射水火箭并记录结果及发射情况.比较发射轨道对飞行距离的影响.实验结果显示:有轨及无轨发射器在同一冲量所造成的射程都差不多,可见有无轨道都不影响射程.但在冲量越小时,无轨发射器发射的水火箭容易常常偏离预定方向;而有轨发射器因为有两个支点,使水柱喷射时不易产生其他方向的分力,因此水火箭能精确的直线前进.所以,有轨发射器在准确度上胜于无轨发射器.
弹头重量对发射轨道的影响
固定水量600ml,发射仰角50°,使用有轨发射器.弹头依序放置填充物,质量为30g,40g,50g,60g.比较弹头重量对水火箭发射轨道的影响.
由实验可知:未加前置填充物的弹头,因受到尾翼质量的影响,重心明显偏后.这时候,因为物体旋转时的中心为重心,所以我们可以把重心G当成支点,则在只受重力的情况下弹头即成一个以G为支点的平横杠杆.在飞行时,弹头A与弹尾B将受到相同的风阻影响,但由于力臂不同(AG>AB),所以A点所产生的力矩大于B点,故水火箭即会旋转影响航道.所以我们必须放前置填充物,将重心G向A移动,使力臂AG=BG(即水火箭的中点),这样A、B产生的力矩才会相同,达成平衡.但是如果前置填充物放得太多,重心偏前,造成力臂AG<BG,力矩A<力矩B,则又会变成旋转的情形,而造成反效果.所以,由实验的结果得知,填充物约65g为最好,而此时重心正好位于首尾中点.当然,这个质量是不确定的,因水火箭的不同而异.
发射仰角的影响
固定水量500ml水,前置填充物,使用有轨发射器.分别使用发射仰角35°、45°、55°、65°、75°.比较发射仰角对水火箭发射距离的影响.
水火箭的斜发与斜抛有关,所以由理论可得发射仰角为45°时,飞行距离最长.但由发射的结果得知:在发射仰角45°到55°之间(约为52°)时,可以达到最大的射程.当发射仰角太小时,水火箭向上的分力不大,使爬升高度不大,且由于水火箭的重量受地球引力的牵引,使其容易落下,造成射程缩短.而当角度太大时,其向上分力虽大,但向前分力太小,以至于射程太短,行成“射得高,但射不远”的情形.所以在水火箭的发射角度方面,须考虑向上分力及向前分力适中、各种外界因素的影响以及发射仰角.

水火箭 技术趣点


水火箭种类众多,一般包括单级单推(一级火箭,一个推进器喷口)、单级多推(一级火箭,多个推进器喷口)和多级多推(多级火箭、
水火箭水火箭
多个推进器喷口)等,少有多级单推。由于单级多推一般为推进器(一个或几个瓶串联而成)“被动分离”且箭体与推进器同时发射,因此虽有推进器抛离效果但一般不视为多级水火箭。而多级多推水火箭采用推进器与箭体“主动分离”技术且为推进器箭体接替发射。水火箭制作的技术趣点主要包括:喷嘴技术、主动分离技术和回收技术。
国内较为流行的自行车内胎及气口做瓶塞的方法,但由于这种方法无法良好控制发射时间,因此是无法完美实现多推的。用滑轮和线向下拉动发射器套环,实现了对发射时间的良好控制。
一般来说,单级多推水火箭涉及推进器和箭体的推力差问题。由于是靠重力自然实现的“被动分离”,因此推进器的推力一定大于箭体推力,以保证水火箭升空时二者推力和最大且为一体,当推进器推力耗尽时,由于重力作用自然脱落。主箭体则继续飞行。这种火箭的优势是,不涉及复杂的多级分离技术,同时拥有较大的推力,制作较为简单。而要注意的是,箭体喷口直径要小于推进器喷口直径以实现推力差。一般箭体使用降落伞回收技术。
下面说说多级多推水火箭。这种水火箭体型庞大,高度甚至可超过2米,目前已知的最高发射高度是国外水火箭爱好者于2010年10月30日创造的864英尺,约合263米。虽然这种火箭的发射高度并不是十分高,但由于涉及“错时喷射“技术、“主动分离”技术和箭体及推进器的“分级回收”技术,因而更具有挑战性、更受到水火箭发烧友的青睐。国外的主动分离技术样式不一,但基本原理一致。利用推进器推力耗尽时的重力和预埋分离器中的弹簧弹力以及分离开始时第二级箭体喷射推力,快速实现一二级主动分离。推进器部分进入下落阶段打开降落伞、而第二级继续上升直到推力耗尽下落打开第二级降落伞。若有第三级,则依次推进。
单级多推水火箭和多级多推水火箭都可以做得很大,但分辨二者区别并不难,从外观上即可分辨。单级多推水火箭(可以叫假二级)箭体和推进器喷嘴是在一个平面上的,因为只有这样才最容易实现同时发射。而多级多推水火箭则不是,其第二级喷嘴一定是和推进器相连的,因为发射开始时第二级是不工作的。所以只要看喷嘴的位置即可分辨。

水火箭 延伸制作


1.在熟悉了水火箭的基本制作后,可以尝试制作大型及多级水火箭的制作。选用质量较轻的金属做成,提供气压由气泵完成。
2.多级火箭的制作:
把几个水火箭绑在一起,由一个进气孔提供气压.同时喷出水柱,提高水火箭的飞行能力。
经过这半个多学期的探索、研究、实验我们初步地完成了水火箭研制工作,从中我们在许多方面有了提高.通过查找资料的方法,我们对火箭的发展历史,特别是我国火箭技术发展的历史,有了很深刻的认识.知道火箭是现代航天所必需的运载工具,我国是火箭技术的发源地,然而由于资金短缺以及技术的缺陷航天事业发展地很缓慢,但随着综合国力的强大,在与外国的合作下已发射了多枚“长征系列”的火箭。
2、将其中一个宝特瓶分割成三部分;将瓶口及中段留下
3、将留下的瓶口及中段,分别套上另一宝特瓶的底部及瓶口,记的涂上黏著剂并用绝缘胶带固定
ps:必须保持火箭的箭身是一直线
4、利用厚透明胶片或珍珠版制作尾翼四片,并将其平均分配固定在火箭的後半部
ps:涂上黏著剂并用胶带确实固定。未平均分配或未固定会影响火箭行进的方向
5、套上火箭头及喷嘴,准备展翅高飞了
6、在发射架上准备发射