水火箭的制作發(fā)射

1、水火箭的制作水火箭的制作與與發(fā)射發(fā)射科技知識(shí)系列講座（二） 水火箭又稱(chēng)氣壓式噴水火箭、水推進(jìn)火箭。是利用廢棄的飲料瓶制作成動(dòng)力艙、箭體、箭頭、尾翼、降落傘。灌入一定數(shù)量的水，利用打氣筒充入空氣到達(dá)一定的壓力后發(fā)射。是利用水和空氣的質(zhì)量之比（水的密度是空氣的771倍），壓力空氣把水從火箭尾部的噴嘴向下高速?lài)姵?，在反作用下，水火箭快速上升，加速度、慣性滑翔在空中飛行，像導(dǎo)彈一樣有一個(gè)飛行軌跡，最后達(dá)到一定高度,在空中打開(kāi)降落傘徐徐降落的火箭模型。 水火箭是寓教于樂(lè)、花錢(qián)少、科技含量高,深受我們廣大青少年喜愛(ài)的動(dòng)手、動(dòng)腦的科普教材。可以讓我們學(xué)生直觀了解導(dǎo)彈,運(yùn)載火箭的發(fā)射升空、回收的過(guò)程,導(dǎo)彈的飛

2、行與飛機(jī)的飛行原理及不同點(diǎn)。解釋牛頓第一、第二、第三定律（作用與反作用、慣性、能量守恒定律）了解一些基本的空氣動(dòng)力學(xué)和飛行力學(xué)等方面知識(shí)。使我們廣大青少年了解航天科技，熱愛(ài)航天科技,為國(guó)家航天事業(yè)培養(yǎng)、造就、輸送優(yōu)秀人才。發(fā)射原理發(fā)射原理用橡皮塞塞緊的可樂(lè)瓶，形成一個(gè)密閉的空間把氣體打入密閉的容器內(nèi)，使得容器內(nèi)空氣的氣壓增大，當(dāng)超過(guò)橡皮塞與瓶口 接合的最大程度時(shí)，瓶口與橡皮塞自由脫離，箭內(nèi)水向后噴出，獲得反作用力射出水火箭和火箭最大的不同，在於其推進(jìn)的媒介由高溫空氣變成水而已。在發(fā)射水火箭前會(huì)灌入空氣達(dá)一定壓力，由於高壓會(huì)自然向低壓流去，故在噴嘴被打開(kāi)時(shí)，空氣自然向噴嘴流去，但由於水檔在前方，

3、故水會(huì)被空氣推出火箭，而火箭也藉此獲得向前的速度。 水火箭的制作 1.材料準(zhǔn)備：36個(gè)2.25L的可樂(lè)瓶、剪刀、單面刀片、木(皮、軟膠)塞、球類(lèi)氣針、圓珠筆芯、氣門(mén)芯、 X光片、訂書(shū)機(jī)、雙面膠、彩色裝飾紙 2.制作過(guò)程：取出其中一個(gè)可樂(lè)瓶，大約以13的間距切成三等份留下瓶口及中段部分，將第二個(gè)可樂(lè)瓶倒過(guò)來(lái),將第一個(gè)的瓶口蓋在第二個(gè)可樂(lè)瓶的瓶底，再將第一個(gè)的中段瓶身蓋在第二個(gè)可樂(lè)瓶的瓶口蓋上后，用雙面膠粘緊再找出一個(gè)硬紙板，剪出平衡翼，平衡翼的數(shù)量為4個(gè)太大的平衡翼很重，太小的起不了平衡作用 3. 制作重點(diǎn)：在制作過(guò)程中，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（皮）塞中，

4、也要達(dá)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(gè)圓珠筆芯，圓珠筆芯的頂端伸出水面，可防止打氣時(shí)氣泡的翻滾和漏水情況。 4. 機(jī)翼制作。用剪刀將X光片裁成大小相同的直角梯形28塊，梯形長(zhǎng)12cm，高6cm，斜腰和長(zhǎng)底夾角約45度。另裁4個(gè)同上規(guī)格但高為8cm，短底相連接兩面重疊的梯形（用作機(jī)翼的表面）。用雙面膠將7小塊梯形緊密粘成一個(gè)厚的梯形，使之平直平坦，然后用一個(gè)大的雙面梯形將其緊密包住并粘緊。 為使機(jī)翼的厚面平整，可用剪刀或小刀修平修直，然后將機(jī)翼的厚面用絕緣膠封住。最后，將機(jī)翼兩邊長(zhǎng)出的部分向外折成90度。這樣，按上述方法將其余的X光片做成三個(gè)機(jī)翼。 5.

5、機(jī)身制作。 取一個(gè)健力寶瓶（瓶頭弧線過(guò)度比較自然，作火箭頭利于減小空氣阻力）在離下端11cm處將其橫截剪開(kāi),用絕緣膠將帶瓶口的部分粘緊在另一個(gè)瓶子的底部，用絕緣膠在接口處多纏繞幾圈以牢固。 6. 氣塞制作。取一個(gè)4號(hào)的軟膠塞，用開(kāi)洞工具在膠塞的底部正中處開(kāi)一個(gè)比氣門(mén)芯套筒稍小一點(diǎn)的平直洞，然后用小刀橫切去細(xì)端約0.6cm；將氣門(mén)芯套筒上一個(gè)面積較大的“戒指”（五金店有賣(mài)），從軟膠塞的細(xì)端往上把氣門(mén)芯裝好，套上一個(gè)同樣的“戒指”，擰上螺絲，稍微緊就可以。最后將氣塞用磨刀石磨成圓柱體，達(dá)到剛好能夠完全進(jìn)入可樂(lè)瓶口或稍緊一點(diǎn)，裝上氣門(mén)芯即可使用。 7 . 炮頭制作。取一個(gè)3號(hào)軟膠塞用小刀將其削尖且圓

6、滑。 8 組裝機(jī)翼。取一個(gè)健力寶瓶剪一個(gè)長(zhǎng)比機(jī)翼長(zhǎng)稍長(zhǎng)的兩面相通的圓柱體，然后用透明膠和絕緣膠將4個(gè)機(jī)翼4等分緊密粘好。最后，將粘好機(jī)翼的圓柱體套在水火箭的底部使其與瓶口相平（這不一定是最佳位置，可在飛行實(shí)踐中上下調(diào)節(jié)尋找確定），用絕緣膠纏繞粘緊。 9. 其他。為增大氣塞和瓶口的接觸面以增大瓶?jī)?nèi)氣壓，可用小刀將氣塞大端削細(xì)一點(diǎn)并使之圓平粗糙。由于機(jī)身增長(zhǎng)了一節(jié)做火箭頭，火箭頭部分較輕不平衡，可適當(dāng)往里面塞紙以達(dá)到平衡。為盡可能減小空氣阻力，將用軟膠塞做成的炮頭用502膠水在火箭頭瓶口粘好。 水火箭的發(fā)射水火箭的發(fā)射1 水量調(diào)控。水量調(diào)控。水火箭用水量和火箭容氣空間有一定的比例，不能太多也不能太

7、少，最佳用水量約為火箭容氣空間的1/4到2/5之間（2.5升的空間大約裝600毫升左右，可多試驗(yàn)幾次尋找確定）。 2 發(fā)射角度。發(fā)射角度。水平方向飛行，由于空氣的阻力，發(fā)射的最佳角度在50到55度之間，不同的水火箭可能不同，可通過(guò)控制變量的方法試驗(yàn)確定。（我們制作的水火箭最佳角度是53度左右）。豎直方向飛行則為90度。 3 .氣塞使用。氣塞使用。氣塞的使用原理是通過(guò)壓縮軟膠塞體積膨脹來(lái)調(diào)節(jié)氣塞的松緊程度，壓縮越厲害體積膨脹越大，氣塞越緊，要把氣塞沖出來(lái)的氣壓就越大，即火箭獲得的動(dòng)力越大。 具體使用方法如下：首先拆下氣塞的氣門(mén)芯，將氣塞在原形塞進(jìn)火箭的瓶口內(nèi)，然后用套筒（一種專(zhuān)門(mén)用來(lái)擰螺絲的工具

8、，五金店有賣(mài)）擰緊氣塞的螺絲，最后安裝氣門(mén)芯即可加氣使用。（注：擰緊程度可按需要來(lái)調(diào)節(jié)。） 4. 發(fā)射穩(wěn)定調(diào)控。發(fā)射穩(wěn)定調(diào)控。僅討論水平方向的發(fā)射。需要制作一個(gè)發(fā)射臺(tái)，發(fā)射臺(tái)要配有導(dǎo)航軌道，導(dǎo)航軌道不要太長(zhǎng)也不要太短，一般長(zhǎng)為60cm（可用三個(gè)教學(xué)用的大三角板和兩根掃帚柄拼湊而成，為減少掃帚柄作導(dǎo)航軌道時(shí)對(duì)水火箭的摩擦，可用透明膠粘貼掃帚柄或如圖例所示的模型）。無(wú)風(fēng)天氣時(shí)，正對(duì)目標(biāo)按最佳發(fā)射角度（指發(fā)射軌道與地面的夾角）發(fā)射。刮風(fēng)天氣時(shí)，應(yīng)視風(fēng)力和風(fēng)向適當(dāng)調(diào)偏與發(fā)射目標(biāo)的方向，保持最佳發(fā)射角度發(fā)射。 5.有效利用“后座力”。當(dāng)“水火箭”爆射的瞬間往往可以看到塞子連同打氣筒的夾子被反彈得很遠(yuǎn)，這

9、部分力量如果能充分利用，“水火箭”的射程就可以得到進(jìn)一步提高。為此筆者自行設(shè)計(jì)了一個(gè)鐵支架，（如圖）在擋板中間開(kāi)一個(gè)小孔，剛好能讓氣門(mén)芯的頭部穿過(guò)，使用時(shí)，夾子從擋板后夾住，這樣，當(dāng)“水火箭”爆射的瞬間，除飛 行部分外其它部件都能紋絲不動(dòng)。 6. 注意事項(xiàng)。注意事項(xiàng)。發(fā)射時(shí)，確?；鸺蛙壍赖钠街币恢拢羝x12度都會(huì)影響飛行的平穩(wěn)性而呈“8”字型飛行。用氣筒打氣時(shí)，要盡可能平穩(wěn)，打氣頻率不要太慢應(yīng)快點(diǎn)。要盡可能將氣塞塞緊，可通過(guò)擰緊氣塞的螺絲來(lái)調(diào)節(jié)，氣塞塞得越緊瓶?jī)?nèi)氣壓越大而火箭的動(dòng)力就越大。飛行原理飛行原理的的物理分析物理分析 水火箭又稱(chēng)氣壓式噴水火箭、水推進(jìn)火箭。顧名思義是利用箭內(nèi)水向后噴

10、出，獲得反作用力射出而水向后噴出的能量則是由瓶?jī)?nèi)壓縮空氣的勢(shì)能轉(zhuǎn)化而來(lái)，由此觀之，水火箭的飛行距離與瓶?jī)?nèi)氣體的體積與壓強(qiáng)有關(guān)。一般地，對(duì)于同一個(gè)水火箭內(nèi)部氣體能達(dá)到的最大壓強(qiáng)，跟瓶口與塞子的摩擦力有關(guān)，都差不多。所以，在這里我們首先著重討論瓶中氣體與水的比重。 如果瓶?jī)?nèi)氣體過(guò)多，氣體所具有的最大勢(shì)能就可以比較大，但相應(yīng)的水的體積就會(huì)減少。 設(shè)水的質(zhì)量為M，噴出時(shí)向下的速度為V，則水向下的動(dòng)量為MV，根據(jù)第三定律或動(dòng)量守恒定率，水火箭獲得的動(dòng)量也應(yīng)為MV，因?yàn)樗嫉捏w積很小，因此質(zhì)量很小，所以MV也就很小，制作的水火箭就飛不遠(yuǎn)。 如果瓶?jī)?nèi)氣體過(guò)少，則相應(yīng)水所占體積就會(huì)增大。瓶?jī)?nèi)氣體所占體積小，

11、所能提供的能量本身就少，無(wú)法立刻將瓶?jī)?nèi)的水全部排出，這樣水火箭將帶著大量的水升空，由于瓶連同所帶的水的質(zhì)量太大，制作的水火箭也無(wú)法飛得很遠(yuǎn)。 再有的是我們?cè)谒鸺w行的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題：由于水火箭的本身是用塑料瓶做的，質(zhì)量較輕，所以不可忽略空氣阻力對(duì)它的影響。在外型固定的情況下，質(zhì)量較小的水火箭受空氣阻力的影響就較大。 假設(shè)水火箭由水的反沖獲得的初動(dòng)量恒定為p，水火箭質(zhì)量為m，則初速度v=p/m。而v越大，水火箭相對(duì)就能飛得越遠(yuǎn)，看上面的速度公式可知，在理想狀態(tài)下，質(zhì)量m越小，水火箭的初速度就大，它就能飛得更遠(yuǎn)。但在實(shí)際條件下，如果水火箭質(zhì)量越小，空氣阻力對(duì)它的影響就越大，甚至一陣微風(fēng)就可以讓

12、它改變飛行方向，或是從空中掉下來(lái)。但如果我們加大水火箭的質(zhì)量的話，很明顯它的初速度變小了，也飛不遠(yuǎn)。 以上從物理角度分析，水火箭在飛行中存在二對(duì)矛盾：一是水火箭內(nèi)空氣與水的比重，二是水火箭本身重量與空氣阻力對(duì)它的影響。了解這二點(diǎn)，我們?cè)谥谱鞒鏊鸺缶筒坏迷谧⑺亢妥灾囟矫鎸?duì)它進(jìn)行測(cè)試，找到了最佳的發(fā)射量。數(shù)理方法確定發(fā)射角度數(shù)理方法確定發(fā)射角度 在水火箭測(cè)試過(guò)程中，水火箭射程的遠(yuǎn)近是測(cè)試的主要項(xiàng)目。怎樣才以使水火箭射得更遠(yuǎn)呢？除去水火箭在飛行過(guò)程中所受的摩擦力，我們可以發(fā)現(xiàn)水火箭的運(yùn)行軌跡是一個(gè)拋物線，那它的水平射程與什么有關(guān)呢？ 如圖所示， 水火箭的動(dòng)軌跡為曲線，在物理中曲線運(yùn)動(dòng)的射程

13、：S=Vx* t (式)，我們假設(shè)初速度V不變的情況下，什么時(shí)候水平射程S最大。首先把圖中的V分解為Vx （即水平方向的分速度）和Vy （即豎直方向的分速度），V與水平方向的夾角為，由以上可知：水火箭的斜發(fā)與斜拋有關(guān)，所以由理論可得發(fā)射仰角為45時(shí)，飛行距離最長(zhǎng)但由發(fā)射的結(jié)果得知：在發(fā)射仰角50到55之間（約為52）時(shí)，可以達(dá)到最大的射程當(dāng)發(fā)射仰角太小時(shí)，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牽引，使其容易落下，造成射程縮短而當(dāng)角度太大時(shí)，其向上分力雖大，但向前分力太小，以至于射程太短，行成“射得高，但射不遠(yuǎn)”的情形所以在水火箭的發(fā)射角度方面，須考慮向上分力及向前

14、分力適中、各種外界因素的影響以及發(fā)射仰角由數(shù)學(xué)三函數(shù)關(guān)系： 可把上式化簡(jiǎn)為： 正弦函數(shù)最大值為1，由此我們可以知道了水火箭的最大射程. 固定水量500ml水，前置填充物，使用有軌發(fā)射器分別使用發(fā)射仰角35、45、55、65、75比較發(fā)射仰角對(duì)水火箭發(fā)射 距離的影響 此時(shí) 得到： 也就是在理想狀態(tài)下發(fā)射角度為45 時(shí)，水火箭射程最遠(yuǎn)，雖然，實(shí)際情況中，水火箭要受到空氣阻力的影響，但是我們只要略做試驗(yàn)就得找到最恰當(dāng)?shù)陌l(fā)射角度。 安全注意事項(xiàng) 雖然水火箭比火火箭易制作也安全（火火箭比賽時(shí)因調(diào)藥不慎，會(huì)被炸傷手掌），不過(guò)還是的注重安全，故以下事項(xiàng)請(qǐng)務(wù)必遵守。 1.箭身使用的可樂(lè)瓶絕對(duì)要用汽水用的，一般瓶身設(shè)計(jì)并沒(méi)考慮耐壓設(shè)計(jì)，一但開(kāi)始灌入空氣加壓，輕可瓶身變形，重則爆炸！ 2.箭身制作前請(qǐng)先將包裝紙撕掉，否則彈翼會(huì)不穩(wěn)定。 3.由於可樂(lè)瓶切割不易，且切口銳利，小朋友制作時(shí)務(wù)必有大人