Стаття "Водяна ракета"

ВОДЯНА РАКЕТА: ЇЇ ТЕОРІЯ, ВИГОТОВЛЕННЯ І ВИКОРИСТАННЯ

Фізика посідає важливе місце серед навчальних предметів основної школи, оскільки в процесі навчання фізики формується науковий світогляд учня, розвиваються його інтелектуальні та творчі здібності. Знання, отримані школярами під час вивчення фізики, стають основою технічної грамотності людини, дозволяють використовувати результати фізичних досліджень і відкриттів для задоволення матеріальних і духовних потреб особистості.

Формування в учнів міцних знань з фізики вимагає пошуку нових та вдосконалення вже відомих методичних прийомів і засобів навчання, вдосконалення організації навчального процесу, врахування при цьому індивідуальних здібностей, нахилів, обдарованості учнів.

Важливе значення для підвищення якості навчання фізики має вдосконалення навчального фізичного експерименту, в тому числі й домашнього.

Домашні експериментальні завдання розвивають у дітей творчу фантазію, провчають їх до самостійності, розвивають навики роботи з різними матеріалами і приладами, і крім того викликають в учнів велику зацікавленість фізикою та творчим процесом.

З метою залучення дітей до творчої активності в Красноградському ліцеї №5 спільно з дітьми розроблена діюча модель ракети, у якій робочою речовиною є звичайна вода, яка створює реактивну тягу завдяки стиснутому повітрю.

ТЕОРІЯ ВОДЯНОЇ РАКЕТИ

Водяна ракета складається з корпусу, у якості якого є звичайна пластикова пляшка з під газованих напоїв, пляшка наповнюється частково водою і за допомогою насосу або іншим засобом наповнюється повітрям з підвищеним тиском. Якщо відкрити отвір знизу – повітря починає виштовхувати воду назовні, створюючи реактивний струмінь, який призводить до руху ракети.

В якості домашнього експерименту було запропоновано учням виготовити подібну модель і дослідити теоретично і експериментально фактори, які впливають на висоту польоту ракети і його ефективність, це:

1.                величина тиску всередині корпуса,
2.                діаметр вихідного отвору,
3.                кількість води в ракеті,
4.                початкова маса ракети,
5.                форма ракети та її конструктивна особливість.

Мал. 1. Будова водяної ракети

Величина створюваного тиску

Створити тиск всередині пляшки за допомогою автомобільного насоса більше ніж у 3 атмосфери, тобто приблизно 3^.10⁵ Па досить важко, так як для цього потрібно прикласти велике зусилля. Сама ж пляшка може витримати і більший тиск. Тому для обчислення було взято як максимальне значення тиску саме 3^.10⁵ Па.

Мал. 2. Створення тиску

Діаметр вихідного отвору

Потенціальна енергія стиснутого повітря всередині корпуса ракети переходить у кінетичну енергію виштовхнутої назовні води, що створює реактивну силу тяги ракети. Після того як уся вода виштовхнеться - ракета продовжує далі рухатися за інерцією, уже без зайвої маси води. Отже чим більший діаметр отвору – тим швидше виштовхнеться вода, і тим на меншу висоту необхідно піднімати зайву масу води і кінетична енергія руху ракети перейде у потенціальну енергію висоти підйому ракети. Висота підйому буде при цьому більшою. Висновок: чим більша площа поперечного перерізу вихідного отвору - тим краще. Але так як збільшити діаметр вихідного отвору у стандартних пляшках неможливо, то його потрібно використовувати з максимальним відкриттям. Досліди показали, що уся вода виштовхується повністю до висоти 3-4 метра.

Кількість води в ракеті

Висоту підйому ракети обчислимо за формулою:

Де: – швидкість ракети після того як була виштовхнута вся вода. Цю швидкість обчислюємо за формулою Ціолковського:

            - швидкість виходу пального (води) відносно ракети,

            - маса ракети разом с пальним,

            - маса порожньої ракети.

Швидкість пального обчислюємо прирівнявши кінетичну енергію пального до потенціальної енергії стиснутого повітря.

В цілому процес розширення повітря в пляшці можна вважати адіабатним, але для наближеного результату ми можемо використати формулу для роботи газу при ізобарному процесі. Для обчислення бралося середнє значення тиску рівним 2^.10⁵ Па, тобто приблизно 2 атмосфери:

(V-V_В)

           - маса води

           - середній тиск в пляшці

V - повний об’єм пляшки

V_В - об’єм води в пляшці.

Звідси:

(V-V_В)

(V-V_В)

(V-V_В)

V_В

V_В

Після підстановки і спрощення вийшло:

(

Це і є формула за якою можливо знайти висоту підняття водяної ракети, якщо знехтувати аеродинамічним опором повітря.

Результати обчислень представлені на графіку залежності висоти під’йому ракети h  від попереднього відношення об’єму води до об’єму ракети V_В/V, де m - маса порожньої ракети:

Мал. 3. Залежність висоти під’йому ракети від початкового відносного об’єму води в ній

З графіка видно що найбільшої висоти ракета досягає тоді, коли вона заправлена водою приблизно на 0,2 - 0,3 від свого об’єму, або приблизно на чверть.

Маса порожньої ракети

Із збільшенням початкової маси ракети m спостерігається різке зменшення максимальної висоти підняття h_m,(м), що видно на графіку мал.4:

Мал. 4. Залежність висоти під’йому ракети від її маси

Зменшити масу ракети менше ніж до маси пляшки неможливо, тому ракета повинна буди якнайлегшою.

Форма ракети та її конструктивна особливість

На ракету, крім сили тяжіння і сили тяги двигуна впливає також сила опору повітря, яка зменшує висоту її підйому. Для зменшення цієї сили, ракета повинна мати максимально обтічну форму і бути стабільною в польоті хоча б на шляху підйому.

У стандартних пластикових пляшок форма дна не є обтічною. Тому для зменшення сили опору необхідно зробити обтікач з легкого матеріалу у формі конуса. Його можливо виготовити з іншої пляшки або з пінопласту. Для того щоб не було хаотичного обертання ракети – необхідно також до неї приладнати стабілізатори у нижній частині.

Мал. 5. Форма ракети

Аналіз результатів обчислення:

1.                об’єм пляшки не впливає на висоту польоту ракети,
2.                вихідний отвір повинен максимально відкриватися,
3.                заправлятися ракета повинна приблизно на ¼ свого об’єму,
4.                маса порожньої ракети повинна бути якнайменшою,
5.                ракета повинна мати аеродинамічно обтічну форму із стабілізаторами.

Виготовлення водяної ракети

Під час роботи над водяною ракетою я намагався виходити із припущення, щоб її виготовлення мало бути максимально простим і доступним кожній дитині шкільного віку, а також із використанням підручних засобів.

Для виготовлення бралася звичайна пластикова 1,5 літрова пляшка з газованого напою. До днища за допомогою липкої стрічки була прикріплена горловина, яка вирізалася з іншої пляшки. Вона повинна слугувати обтікачем для ракети. Знизу, аналогічним методом, прилаштовувалися стабілізатори, також виготовлені із іншої пляшки. Для випускного клапана була використана коркова пробка у якій висвердлювався отвір. В цьому отворі закріплювався штуцер від автомобільної камери. Ця пробка заходила у отвір з деяким тертям. Виштовхуватися вона повинна за допомогою надмірного тиску, який створювався усередині пляшки.

Все, ракета готова! Але для запуску необхідна ще стартова система. Для цього можна використати дві цеглини, які поставлені на ребро, а ракета за допомогою стабілізаторів повинна утримуватися на них. Але у нас була можливість виготовити для цього пристрій з металевого кільця і трьох лапок. Ракета на цій підставці тримається дещо краще.

Мал. 6. Саморобна водяна ракета

Для створення тиску всередині водяної ракети використовувався звичайний автомобільний насос, за допомогою якого накачувалось повітря всередину пляшки. Для цієї мети можна запропонувати і інші способи, наприклад: газовий балон зі стиснутим повітрям, або шматочок карбіду кальцію, помістивши його у воду, який вступаючи в хімічну реакцію з нею - виділяє газ ацетилен який і створює підвищений тиск. Можна ще запропонувати використати соду з оцтом, які при взаємодії виділяють вуглекислий газ. Є і інші способи, це залежить від фантазії.

Випробовування

Випробовування ракети показали чудові результати. Ракета вільно злітала на висоту 20 і більше метрів. Зліт ракети був досить ефектним і принаджував багатьох зацікавлених, як дітей, так і дорослих.

Мал. 10. Випробовування ракети

Результати випробовувань повністю підтвердили теоретичні розрахунки. Висота підйому ракети була приблизно в півтора рази меншою ніж обчислена. Це тому, що на цю висоту впливала аеродинамічна сила опору повітря, яка її зменшувала.

Мал. 11. Під час зльоту ракети бризки води розлітались до 1,5 метра

Під час зльоту ракети бризки води розлітались до 1,5 метра. Тому такі запуски краще проводити в теплу пору року.

Якщо пробку знизу затиснути дещо сильно, то інколи буває недостатньо сили тиску повітря щоб її виштовхнути. Якщо ж її недостатньо щільно вставити – то ракета злітає не досить високо.

Запуски ракети викликали жвавий інтерес серед дітей. Це спонукає їх до аналізу фізичного явища, викликає бажання виготовити подібну модель власноруч, стимулює інтерес до фізики і техніки, згуртовує дітей.

Використання моделі

Я вважаю, що модель водяної ракети, її  виготовлення і демонстраційні запуски мають велике значення для виховання дітей будь-якого віку.

Мал. 12. Використовувати водяні ракети можуть діти будь-якого віку

Саму модель, демонстрацію її дії можна використовувати на уроках фізики під час вивчення різноманітних тем, наприклад: «Предмет фізики», «Механічний рух», «Закон збереження імпульсу», «Реактивний рух», «Газові закони» та інших. Наочність моделі ракети, ефектність дослідів з нею допоможуть учителеві краще пояснити учням явище реактивного руху та деяких інших понять. Вона є цінним наочним посібником у кабінеті фізики.

Виготовлення моделі водяної ракети можна також запропонувати на уроках трудового навчання. Це буде розвивати творчу активність учнів, розвиватиме їх уміння працювати із різноманітними матеріалами, допомагатиме зрозуміти суть фізичних процесів під час виготовлення та демонстраційних запусків. Розвиватиме у дітей кмітливість та уміння вирішувати виникаючі технічні проблеми.

Мал. 13. Проведення конкурсів

Необмежене поле діяльності з використанням даної моделі під час занять гуртка «Юних фізиків». Серед учнів можна проводити, наприклад, конкурси на виготовлення кращої моделі ракети, на більшу висоту її запуску. Подібні конкурси матимуть велике значення для виховання молоді: вони згуртовуватимуть дітей, розвиватимуть їх творчу активність, привчатимуть працювати з різними матеріалами, викликатимуть інтерес до науки і техніки, відволікатимуть їх від шкідливих звичок (комп’ютерних ігор, куріння, вживання спиртних напоїв) а також марного проведення часу.

ВИСНОВОК

Я вважаю, що проведення домашніх дослідів і спостережень, виготовлення саморобних приладів та інших демонстрацій має велике навчальне та виховне значення. Досвід одержаний у Красноградському ліцеї №5 під час роботи над розробкою, виготовленням та випробовуванням водяної ракети показав ефективність даної роботи. Діти з великим зацікавленням працювали над виготовленням і використанням даної саморобки. Це викликало жвавий інтерес як серед учасників так і інших дітей які потім самостійно для себе виготовляли подібні моделі. Крім стимулювання зацікавленості фізикою в учнів водяна ракета добре доповнює кабінет фізики як цінна демонстрація. З її використанням можливо показати багато ефектних дослідів і спостережень на уроках фізики. Виготовляється ж вона з доступних матеріалів з мінімальними затратами в більшості випадків силами самих учнів.

ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА

1. Ландсберг Г.С. под ред. Элементарный учебник физики. М.: Наука, 1986.
2. Руденко М. Організація домашнього експерименту // Фізика та астрономія в школі. 2000, №2, с. 33 - 36.
3. Водні ракети – Вікіпедія. https://uk.wikipedia.org/wiki/Водні_ракети
4. Водяна ракета з пластикової пляшки з парашутом.   https://ukr.thehouseofchronic.com/4208997-water-rocket-from-a-plastic-bottle-with-a-parachute
5. Водяная ракета из пластиковой бутылки. https://www.tavika.ru/2013/01/handemade-rocket.html