[科普中國(guó)]-水火箭

水火箭是一個(gè)利用質(zhì)量比和氣壓作用而設(shè)計(jì)的玩具，同時(shí)是物理教學(xué)中著名的案例之一，可以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于物理學(xué)習(xí)的興趣，而其中蘊(yùn)含的物理原理是了解物理中力學(xué)的重要的基礎(chǔ)。

水火箭又稱氣壓式噴水火箭、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。

概述

水火箭是一個(gè)利用質(zhì)量比和氣壓作用而設(shè)計(jì)的玩具，同時(shí)是物理教學(xué)中經(jīng)常用到的典型的案例之一。水火箭又稱氣壓式噴水火箭、水推進(jìn)火箭，是用廢棄的飲料瓶制作而成的一種玩具。它分為動(dòng)力艙、箭體、箭頭、尾翼、降落傘等部分。水火箭科技含量高，寓教于樂(lè)，深受廣大青少年喜愛(ài)，可以讓他們直觀地了解導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭的發(fā)射升空和回收過(guò)程，理解導(dǎo)彈與飛機(jī)飛行的原理及其不同點(diǎn)。1

制作時(shí)，灌入三分之一的水，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），壓縮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，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)、科技含量高,深受廣大青少年喜愛(ài)的動(dòng)手、動(dòng)腦的科普教材。可以讓學(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（慣性、能量守恒定律、作用與反作用）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)射原理用橡皮塞緊的瓶子，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，在于其推進(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，由于高壓會(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，但由于水擋在前方，故水會(huì)被空氣推出火箭，而火箭也借此獲得向前的速度。

制作方法材料準(zhǔn)備2~6個(gè)2.25L的可樂(lè)瓶、剪刀、單面刀片、橡皮塞、球類(lèi)氣針、氣門(mén)芯、訂書(shū)機(jī)、雙面膠、彩色裝飾紙．桌布等輕便不透風(fēng)的材質(zhì)

制作過(guò)程1.增壓塞制作：用小刀切下橡皮塞較粗的一端，切口直徑為2.3cm，穿過(guò)小孔裝上氣門(mén)芯、膠管、和螺帽，將橡皮塞用力塞進(jìn)瓶口內(nèi)，其露在瓶口外的部分不超過(guò)約2mm；用剪刀在飲料瓶蓋中間挖一個(gè)直徑約12mm的孔，以便使旋緊瓶蓋時(shí)僅讓氣門(mén)芯露在外面。

2.側(cè)翼的制作：用硬紙片剪下側(cè)翼四個(gè)，為了使火箭飛行時(shí)有較好的穩(wěn) 定性，側(cè)翼必須有較高的硬度，如果紙片片硬度不夠，可將兩片或三片粘疊在一起制作，剪好側(cè)翼后，將“粘貼爪”交替地折回兩側(cè)，用透明膠帶對(duì)稱地粘貼在火箭的下部側(cè)面。

3.取出其中一個(gè)可樂(lè)瓶，大約以1/3的間距切成三等份．如圖2,留下瓶口及中段部分，將第二個(gè)可樂(lè)瓶倒過(guò)來(lái)．如圖3,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．

4.制作降落傘，將一張正方型的桌布對(duì)邊折，再對(duì)邊折，以中點(diǎn)為心，對(duì)折2次，用剪子剪下多余部分，使它成圓形，貼好線。1 準(zhǔn)備材料。三四個(gè)2.5升的健力寶瓶或可樂(lè)瓶， 若干X光片，幾個(gè)化學(xué)器材用的3號(hào)和4號(hào)軟膠塞，一整套單車(chē)氣門(mén)心，剪刀、小刀各一把，透明膠、雙面膠和絕緣膠布，502膠水一支。

第二種制作方法：1.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)。2. 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。3. 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。4. 炮頭制作。取一個(gè)3號(hào)軟膠塞用小刀將其削尖且圓滑。 5.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。6. 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。 按以上方法一個(gè)簡(jiǎn)單的水火箭便制作完成。根據(jù)我們研制的水火箭，通過(guò)實(shí)踐的改進(jìn)，水平方向飛行可達(dá)160米左右，豎直方向飛行可達(dá)40~50米。

水火箭發(fā)射方法：

1. 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。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，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。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. 注意事項(xiàng)。發(fā)射時(shí)，確?；鸺蛙壍赖钠街币恢?，若偏離1~2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。 取第一個(gè)瓶子，稱之為A瓶。在瓶子上下1-1、2-2的位置各畫(huà)一條線，兩條線位置的決定方法如下。1-1：選瓶上弧線曲度與火箭泡棉頭曲度相近處。2-2：選瓶子下方曲線轉(zhuǎn)直點(diǎn)的下方約0.5cm處。

自1-1線上方、2-2線下方約0.5cm處用美工刀（或剪刀）切（剪）開(kāi)。

用剪刀慢慢修剪至畫(huà)線處，盡量使其平整，以便與B瓶銜接時(shí)可以較為密合。 將火箭泡棉頭放置於A瓶上方，由正上方看泡棉頭是否對(duì)準(zhǔn)保特瓶之正中央位置。若已放正，則使用電工膠布纏繞於相接處，加以固定。 取另一個(gè)瓶子稱之為B瓶，將瓶蓋卸下，然后將噴嘴由保特瓶開(kāi)口處旋緊。 將A、B瓶相連接。然后至於平坦之桌面或地上滾動(dòng)，看看是否連接平整，滾動(dòng)是否平順。若是，則以電工膠布加以固定。 取第三個(gè)瓶子，稱為C瓶。在瓶子3-3、4-4之位置各畫(huà)一條線。3-3：選瓶子上方曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的下方約0.5cm。 4-4：選瓶子下方曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的下方約0.5cm。 自3-3線上方、4-4線下方約0.5cm處用美工刀（剪刀）切（剪）開(kāi)。 將厚紙板對(duì)折，然后用鉛筆畫(huà)出四個(gè)梯形。然后用剪刀沿線剪開(kāi)。注：尾翼之尺寸、形狀，可以做不同的變化，以測(cè)試 其對(duì)飛行有何影響。 同樣以投影片至做出與厚紙板規(guī)格相同之梯形。 將制作好之投影片包覆於厚紙板梯形之外側(cè)，可以先使用雙面膠帶將投影片及厚紙板接合在一起，然后使用電工膠布將其三邊貼過(guò)。 用雙面膠帶貼於摺起部分之底部。此步驟為了將做好之四個(gè)尾翼年貼於C瓶。 四個(gè)尾翼完成圖。 將四片尾翼年貼於C瓶上，需確定為十字對(duì)稱，如此才能平衡。 先以電工膠布黏貼於尾翼兩側(cè)，黏貼時(shí)須注意電工膠布的長(zhǎng)度須夠長(zhǎng)，上方需比尾翼高約一個(gè)膠帶的高度，下方反折入C瓶?jī)?nèi)，以增加牢固程度。再以電工膠布纏繞於尾翼上方約兩圈。 將C瓶與B瓶用電工膠布做連接。注：同樣須注意保持水火箭箭身的筆直以確保飛行方向的準(zhǔn)確。

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．氣針在木塞中，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。降落傘的線一定要粘牢，不然壓力過(guò)大，可能會(huì)使線從傘身上掉落。

世界紀(jì)錄高度為830米，由開(kāi)普敦大學(xué)的幾個(gè)學(xué)生創(chuàng)造。該火箭外形奇特，遠(yuǎn)看類(lèi)似一根筷子。由專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集分析計(jì)算后，設(shè)計(jì)而成，外部采用特殊材料制作而成。與傳統(tǒng)水火箭制作工藝和理念都有較大差異。

研究方法水火箭的豎直升高高度與瓶?jī)?nèi)水位的關(guān)系：

水火箭的豎直升高高度與瓶?jī)?nèi)水位的關(guān)系可以通過(guò)做實(shí)驗(yàn)的方法獲得：通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)水量為1/3時(shí)，水火箭飛的最高。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出：氣壓與射程成正比。這是因?yàn)闅鈮涸酱螅瑖娝牧α吭酱?，水火箭的沖量越大，水火箭做反沖運(yùn)動(dòng)。而在發(fā)射水量為1000ml以上時(shí)，水火箭中的水未噴完，由于氣壓減小就停止了加速，增加水火箭的重量，使水火箭受重力影響而提前墜落了。質(zhì)量越大，所需提供的動(dòng)量就越大，當(dāng)質(zhì)量一定時(shí)，速度越大動(dòng)量越大。而提高速度的方法是提高單位時(shí)間內(nèi)的噴水量。所以，只有當(dāng)水火箭內(nèi)的氣壓與水量適當(dāng)時(shí)，才能飛地更遠(yuǎn)更高。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，若水量大于固定氣壓所能?chē)娚涞纳舷?，則水火箭中的水不會(huì)噴完，要如何避免水噴不完的情形呢？根據(jù)PV=nRT，可求出一定氣壓所能?chē)姵龅乃可舷?。若是水量不夠一定氣壓所能?chē)姵龅乃勘惠^早噴完。根據(jù)理論，發(fā)射時(shí)我們先量出能灌進(jìn)水火箭的最大值，再算出此氣壓能?chē)姵龅淖畲笏浚鶕?jù)此兩數(shù)據(jù)裝水灌氣，即可達(dá)到水火箭之最大射程（Pmax=Fmax×Mmax）。

提高水火箭的穩(wěn)定性：

水火箭在上升過(guò)程中，并不是豎直向上升的，經(jīng)常橫著或側(cè)著瓶身上升。這就要求我們必須提高它的穩(wěn)定性，使它豎直上升。提高它的穩(wěn)定性，就得考慮大氣阻力的作用。首先，水火箭頂部應(yīng)為尖的，以便于減小空氣阻力；其次瓶體形狀應(yīng)接近流線型，這樣便于氣流的通過(guò)；要使它豎直上升，還要在放置的時(shí)候使它豎直，我們就取了一個(gè)三角架，把水火箭支?。ú皇蔷o套）使它能豎直地立著。

發(fā)射軌道對(duì)射程的影響：

固定水量600ml，發(fā)射仰角50°，利用無(wú)軌發(fā)射架和70cm發(fā)射架分別發(fā)射水火箭并記錄結(jié)果及發(fā)射情況，比較發(fā)射軌道對(duì)飛行距離的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：有軌及無(wú)軌發(fā)射器在同一沖量所造成的射程都差不多，可見(jiàn)有無(wú)軌道都不影響射程，但在沖量越小時(shí)，無(wú)軌發(fā)射器發(fā)射的水火箭容易常常偏離預(yù)定方向；而有軌發(fā)射器因?yàn)橛袃蓚€(gè)支點(diǎn)，使水柱噴射時(shí)不易產(chǎn)生其他方向的分力，因此水火箭能精確的直線前進(jìn)，所以，有軌發(fā)射器在準(zhǔn)確度上勝于無(wú)軌發(fā)射器。

彈頭重量對(duì)發(fā)射軌道的影響：

固定水量600ml，發(fā)射仰角50°，使用有軌發(fā)射器．彈頭依序放置填充物，質(zhì)量為30g，40g，50g，60g。比較彈頭重量對(duì)水火箭發(fā)射軌道的影響。

由實(shí)驗(yàn)可知：未加前置填充物的彈頭，因受到尾翼質(zhì)量的影響，重心明顯偏后。這時(shí)候，因?yàn)槲矬w旋轉(zhuǎn)時(shí)的中心為重心，所以我們可以把重心G當(dāng)成支點(diǎn)，則在只受重力的情況下彈頭即成一個(gè)以G為支點(diǎn)的平橫杠桿。在飛行時(shí)，彈頭A與彈尾B將受到相同的風(fēng)阻影響，但由于力臂不同（AG>AB），所以A點(diǎn)所產(chǎn)生的力矩大于B點(diǎn)，故水火箭即會(huì)旋轉(zhuǎn)影響航道。所以我們必須放前置填充物，將重心G向A移動(dòng)，使力臂AG=BG（即水火箭的中點(diǎn)），這樣A、B產(chǎn)生的力矩才會(huì)相同，達(dá)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