水火箭的制作发射

水火箭的制作与发射——科技知识系列讲座（二）主讲人束义福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771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、花钱少、科技含量高,深受我们广大青少年喜爱的动手、动脑的科普教材。可以让我们学生直观了解导弹,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。使我们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。发射原理用橡皮塞塞紧的可乐瓶，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，在於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，由於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，但由於水档在前方，故水会被空气推出火箭，而火箭也藉此获得向前的速度。水火箭的制作1.材料准备：3~6个2.25L的可乐瓶、剪刀、单面刀片、木(皮、软胶)塞、球类气针、圆珠笔芯、气门芯、X光片、订书机、双面胶、彩色装饰纸．2.制作过程：取出其中一个可乐瓶，大约以1／3的间距切成三等份．留下瓶口及中段部分，将第二个可乐瓶倒过来,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．3.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（皮）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。4.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光片做成三个机翼。5.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。6.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。7.炮头制作。取一个3号软胶塞用小刀将其削尖且圆滑。8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。9.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。水火箭的发射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.有效利用“后座力”。当“水火箭”爆射的瞬间往往可以看到塞子连同打气筒的夹子被反弹得很远，这部分力量如果能充分利用，“水火箭”的射程就可以得到进一步提高。为此笔者自行设计了一个铁支架，（如图）在挡板中间开一个小孔，刚好能让气门芯的头部穿过，使用时，夹子从挡板后夹住，这样，当“水火箭”爆射的瞬间，除飞行部分外其它部件都能纹丝不动。6.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。飞行原理的物理分析水火箭又称气压式喷水火箭、水推进火箭。顾名思义是利用箭内水向后喷出，获得反作用力射出．而水向后喷出的能量则是由瓶内压缩空气的势能转化而来，由此观之，水火箭的飞行距离与瓶内气体的体积与压强有关。一般地，对于同一个水火箭内部气体能达到的最大压强，跟瓶口与塞子的摩擦力有关，都差不多。所以，在这里我们首先着重讨论瓶中气体与水的比重。如果瓶内气体过多，气体所具有的最大势能就可以比较大，但相应的水的体积就会减少。设水的质量为M，喷出时向下的速度为V，则水向下的动量为MV，根据第三定律或动量守恒定率，水火箭获得的动量也应为MV，因为水所占的体积很小，因此质量很小，所以MV也就很小，制作的水火箭就飞不远。如果瓶内气体过少，则相应水所占体积就会增大。瓶内气体所占体积小，所能提供的能量本身就少，无法立刻将瓶内的水全部排出，这样水火箭将带着大量的水升空，由于瓶连同所带的水的质量太大，制作的水火箭也无法飞得很远。再有的是我们在水火箭飞行的过程中发现的问题：由于水火箭的本身是用塑料瓶做的，质量较轻，所以不可忽略空气阻力对它的影响。在外型固定的情况下，质量较小的水火箭受空气阻力的影响就较大。假设水火箭由水的反冲获得的初动量恒定为p，水火箭质量为m，则初速度v=p/m。而v越大，水火箭相对就能飞得越远，看上面的速度公式可知，在理想状态下，质量m越小，水火箭的初速度就大，它就能飞得更远。但在实际条件下，如果水火箭质量越小，空气阻力对它的影响就越大，甚至一阵微风就可以让它改变飞行方向，或是从空中掉下来。但如果我们加大水火箭的质量的话，很明显它的初速度变小了，也飞不远。以上从物理角度分析，水火箭在飞行中存在二对矛盾：一是水火箭内空气与水的比重，二是水火箭本身重量与空气阻力对它的影响。了解这二点，我们在制作出水火箭之后就不得在注水量和自重二方面对它进行测试，找到了最佳的发射量。数理方法确定发射角度在水火箭测试过程中，水火箭射程的远近是测试的主要项目。怎样才以使水火箭射得更远呢？除去水火箭在飞行过程中所受的摩擦力，我们可以发现水火箭的运行轨迹是一个抛物线，那它的水平射程与什么有关呢？如图所示，水火箭的动轨迹为曲线，在物理中曲线运动的射程：S=Vx*t(①式)，我们假设初速度V不变的情况下，什么时候水平射程S最大。首先把图中的V分解为Vx（即水平方向的分速度）和Vy（即竖直方向的分速度），V与水平方向的夹角为θ，由以上可知：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50°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．由数学三函数关系：可把上式化简为：正弦函数最大值为1，由此我们可以知道了水火箭的最大射程.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．此时得到：也就是在理想状态下发射角度为45°时，水火箭射程最远，虽然，实际情况中，水火箭要受到空气阻力的影响，但是我们只要略做试验就得找到最恰当的发射角度。安全注意事项•虽然水火箭比火火箭易制作也安全（火火箭比赛时因调药不慎，会被炸伤手掌），不过还是的注重安全，故以下事项请务必遵守。1.箭身使用的可乐瓶绝对要用汽水用的，一般瓶身设计并没考虑耐压设计，一但开始灌入空气加压，轻可瓶身变形，重则爆炸！2.箭身制作前请先将包装纸撕掉，否则弹翼会不稳定。3.由於可乐瓶切割不易，且切口锐利，小朋友制作时务必有大人陪伴可代为切割。4.使用胶带接合箭身时应确定缠紧缠牢。若没黏好，打气时，接合处会被撑开！5.弹头上应该要加上缓冲物，以避免在击中人或其他动物时（这种事本就该避免）造成过大的伤害。6.绝对严禁在人多或朝人多的地方发射！在发射前应有人负责清场，并规划出一块区域做为目标地。7.发射时避免在前方展开180度区，要不然会被火箭击中。8.发射时避免在其正后方2到3公尺处及方圆1公尺内（除了发射人员外），避免被水淋得湿淋淋的。——谢谢合作！