二級加壓水火箭的制作方法

汪 海

（黑龍江省教育學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080）

1 引 言

神州七號飛船的成功發(fā)射，給廣大中學(xué)生帶來了強(qiáng)烈的震撼，也給中學(xué)物理教學(xué)帶來了生機(jī)．許多教師將自制水火箭引入了初中物理活動(dòng)課程，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，通過動(dòng)手、動(dòng)腦和相互交流的過程，將物理知識與課外物理實(shí)踐活動(dòng)緊密地結(jié)合起來，從中獲得了成功的喜悅，激發(fā)了他們學(xué)科學(xué)、愛科學(xué)的熱情．

2 水火箭的工作原理

根據(jù)牛頓第三定律，當(dāng)一個(gè)物體對另一個(gè)物體施加力時(shí)，這個(gè)物體會(huì)同時(shí)受到另一個(gè)物體的反作用力．比如：當(dāng)釋放吹滿氣的氣球時(shí)，氣球會(huì)向后噴出氣體，同時(shí)氣體向前推動(dòng)氣球前進(jìn)．制作水火箭時(shí)，用密度較大的水代替空氣，用可樂瓶代替氣球，這就是水火箭的工作原理．

3 水火箭的制作過程

1）制作尾翼．選用較硬的紙殼，用鉛筆畫好外形［見圖1（a）］，長約9 cm，寬約4 cm，一共8個(gè)．用剪刀剪下后，兩兩對好，在距下邊緣1 cm左右處分別向外彎折，見圖1（b）．2片尾翼中間用雙面膠粘合，見圖1（c）．外側(cè)也可再用透明膠布粘2圈，確保粘貼牢固．

圖1 尾翼的制作

2）固定尾翼．先在瓶體上距離瓶口5～6 cm處，粘好1片尾翼，方法是先沿一側(cè)尾翼方向粘1條膠布，然后另一側(cè)再_粘1條膠布，同時(shí)注意尾翼方向，不要粘反了．在這個(gè)尾翼對稱的位置再粘好另一尾翼，然后在2個(gè)尾翼中間位置粘好另2個(gè)尾翼．最后再用膠布橫向的粘2圈，保證其不會(huì)掉落，見圖2．

圖2 固定尾翼

3）制作箭頭．火箭飛行時(shí)，空氣阻力越小，飛行距離越遠(yuǎn)．所以，要設(shè)法減小水火箭的飛行阻力．選擇較硬X光片1張［見圖3（a）］，再取1個(gè)可樂瓶，在距瓶口15 cm的位置剪開，見圖3（b），把羽毛球的軟頭部取下，從瓶體內(nèi)部用力擠出一部分［見圖3（c）］，然后將剪好的X光片圍繞羽毛球體1周，調(diào)整好大小，保證正對不歪，然后用透明膠布固定，整流罩制作完畢，組裝后見圖3（d）．

圖3 火箭頭的制作

4）制作膠塞．選擇4號膠塞，將氣針直接穿入，確保氣針通氣良好，沒有堵塞，見圖4．

圖4 膠塞

5）制作發(fā)射架．發(fā)射架應(yīng)具有調(diào)整發(fā)射角度，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)．選擇40 cm×25 cm的木板作為發(fā)射架的底座．將2塊小木塊用折頁連接起來作為調(diào)整發(fā)射角度的調(diào)整夾，同時(shí)在后端將1根螺絲擰入木板中，作為調(diào)整發(fā)射角度的支柱，在夾角位置固定1個(gè)量角器．然后取30 cm×25 cm的木板作為上夾板，在距上方8 cm位置開1個(gè)直徑為4 cm的孔．在距該孔6 cm的兩側(cè)各開2個(gè)小孔，使直徑為1．4 cm的鐵棍剛好塞進(jìn)去而不掉落．整個(gè)發(fā)射架制作完畢，見圖5．

圖5 發(fā)射架的制作

4 影響水火箭飛行高度的因素以及改進(jìn)的措施

試射中發(fā)現(xiàn)有的火箭漏氣，飛不起來；有的能飛起來，卻飛偏，有的飛行距離也不夠．影響火箭飛行因素較多，分析如下：

1）單體氣密性．水火箭充氣箭體本身一定要保證氣密性，否則就會(huì)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，導(dǎo)致氣壓一直很低，無法飛行．

2）尾翼對稱性．水火箭的尾翼起調(diào)整火箭飛行姿態(tài)的作用，如果不對稱，就會(huì)飛偏，不走直線．

3）阻力與自重．火箭升空一方面要克服自重，同時(shí)還要克服高速飛行帶來的空氣阻力．因此，要盡量降低水火箭的自重，選擇相對輕質(zhì)的材料，減少不必要的裝飾；同時(shí)要降低風(fēng)阻，包括前面的整流罩流線型的設(shè)計(jì)，還有尾翼粘貼時(shí)不能有縫隙．

4）氣壓動(dòng)力．瓶內(nèi)氣壓是水火箭的動(dòng)力來源，影響著飛行的高度．瓶內(nèi)氣壓低的主要原因是膠塞密閉問題，為此應(yīng)增大摩擦力．用小號的銼打磨膠塞，使之較粗糙，或者用壁紙刀橫向刮幾下．將膠塞距離上下部各3 mm位置挖空，不使用氣針，而是使用氣門芯嘴并直接擰入膠塞，見圖6．用氣門芯嘴可使瓶體氣壓提高40%．

圖6 膠塞的改進(jìn)

5）瓶內(nèi)水量．水量過多會(huì)導(dǎo)致自重過大，無法飛高，過小又會(huì)導(dǎo)致動(dòng)能過?。砸磸?fù)嘗試，直到找到最佳配重點(diǎn)．對于火箭自重多大比較合適，嚴(yán)格來講需要通過多次實(shí)驗(yàn)后確定．我們發(fā)現(xiàn)一般2．5 L的可樂瓶可以裝距瓶底5～6 cm的水量最好．

5 二級加壓的水火箭的制作

瓶內(nèi)氣壓的大小直接影響著火箭飛行的高度，采取增大瓶內(nèi)氣壓的辦法，無疑是給火箭換上更強(qiáng)有力的心臟，所以要制作二級加壓的水火箭．由于1個(gè)2．5 L的可樂瓶能承受的氣壓有限，所以需串聯(lián)1個(gè)可樂瓶．但是，解決兩瓶之間的氣密性問題卻很難，我們解決的辦法是用氣門芯嘴加膠管的方法．

首先用剪刀在瓶子底部中心開1個(gè)口，大小比自行車氣門芯管直徑要小一些；然后將氣門芯嘴加橡膠墊放入瓶子，引出后加膠皮墊，再用螺絲帽擰緊．可以先試氣密性，充足氣后放入水里，沒有氣泡冒出即可．另一面直接連接另一個(gè)瓶子的瓶蓋或用同樣方法連接另一個(gè)瓶體，見圖7．通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)火箭飛不高，是氣壓不足和箭體自重過大等原因，所以換用1．5 L的可樂瓶來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，充足氣后飛行高度比單體火箭明顯增加，解決了氣壓與自重的配比問題．

圖7 二級加壓

6 水火箭降落傘的制作

水火箭垂直升入天空，飛行高度可達(dá)100 m以上，但是，火箭飛得越高，下落時(shí)摔得也越慘．于是需要解決水火箭的安全降落問題，即制作降落傘．

1）制作過程．選擇綢子面料，剪成長和寬均為80 cm的正方形 ，對折后剪成弧形，然后打開，在8個(gè)角的位置用線取等長60 cm縫好，直接系在一起，見圖8．

圖8 降落傘的制作

2）開傘的方法．采用阻力落差分離型：重的物體和輕的物體同時(shí)下落，但由于空氣阻力不同，導(dǎo)致速度不同，由此實(shí)現(xiàn)降落傘自動(dòng)打開．我們把頭部的重物質(zhì)量增到100 g，同時(shí)制作了傘倉，并制作了防止傘過緊的隔離網(wǎng)，將傘一頭與箭體連接，另一頭連接傘倉，見圖9．

圖9 傘倉的制作

注意事項(xiàng)：降落傘不能隨便擺放，為能夠順利打開傘，要將傘折疊成蛇形后放入傘倉里．傘越大就越不容易成功，所以我們嘗試的是直徑60 cm的傘．而且傘的材料越輕越好，不能過重．采用降落傘技術(shù)的水火箭，發(fā)射角度要大于75°，成功率才會(huì)很高．

［1］ 方紅霞．關(guān)于水火箭水平射程的實(shí)驗(yàn)探究［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（12）：17－19．

［2］ 梁法庫，梁帥．可以任意角度發(fā)射的水火箭［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（10）：31－32．

［3］ 沈長軍．巧造水火箭［J］．2007，27（11）：33－34．

［4］ 辛貴書．提高水“火箭”效果之措施［J］．2003，23（1）：32－33．