瓶火箭爆炸!

2020年3月2日 作者 奇先生 0

难度 <! - 4 - >
所需时间 平均(6-10天)
先决条件
材料可用性 一应俱全
费用 平均值($ 40 – $ 80)
安全 始终需要成人监督。有关详细信息,请参阅过程开头的安全说明。

摘要

3 … 2 … 1 … 0-爆炸!在这个科学项目中,你将使用一个瓶子火箭发射器来发射你自己的瓶子火箭。你将用水和加压空气装载它,进行几次发射,并找出是什么让你的火箭飙升最高。

目的

调查你在发射之前在瓶子火箭中产生的气压如何改变它在发射后达到的最大高度。

积分

Sabine De Brabandere,PhD,Science Buddies
  • Aquapod是Great American Projects,Inc。的商标。
  • ALTITRACK是Larsen&amp; Co.的商标。丹麦布鲁斯加德。

引用本页

此处提供了一般引用信息。请务必检查所使用方法的格式,包括大小写,并根据需要更新引文。

MLA风格

Sabine,De Brabandere。”瓶子火箭爆炸!” 科学伙伴,2018年12月1日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p096/physics/bottle-rocket-blast-off。2019年7月6日访问。

APA风格

De Brabandere,S。(2018年12月1日)。瓶装火箭爆炸!从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p096/physics/bottle-rocket-blast-off


最后编辑日期:2018-12-01

简介

有没有想过为什么火箭在升空时会产生强大的爆炸?通过这个科学项目探索自己!虽然您将无法像图1中所示那样创建爆炸,但您将创建一个较小的爆炸,一个您将控制的爆炸。

STS-124火箭以强力爆炸升空。(NASA礼貌照片)
图1。 STS-124火箭以强力爆炸升空.(NASA礼貌照片)

火箭队是从反应引擎获得前锋推力的车辆。换句话说,火箭通过从后端高速弹射质量(向后射击)来向前推进。这种机制不依赖于大气层,在太空中运行良好。如图2所示。

火箭队高速向后弹射质量以实现向前推动
图2. 火箭队高速向后弹射质量以实现向前推进。

消防员有没有让你从他的消防水管中喷出水?如果是这样,你可能经历过同样的事情。当水以高速喷出时,软管(以及持有它的人)感觉向后强烈推动。请注意,推动方向与水流方向相反。水(从水源或水泵等水源)施加的压力越大,水流出的速度越快,向后推力越大。完全用力时,需要两名消防员来固定软管,如图3所示。

高速喷出水管的水会在对面产生强烈的推动作用方向
图3. 高速喷出水管的水会在软管和固定软管的人员的相反方向上产生强烈的推力。

你将利用这种推动发​​挥瓶火箭的优势。你的火箭将部分充满水,它会在后端喷出水面,使其自身升起。但是你怎么能让水迅速(高速)流出来让它在天空中升高?一个特殊的水瓶发射器可以让你的瓶火箭增加空气。你添加的空气越多,这种空气就会越多.空气压力,或者空气向外压在瓶子内壁以及瓶子中的液体上的硬度,在瓶子中积聚,你甚至可能看到瓶子凸出一点点。图4说明了这一点。

当您向水瓶中添加空气时,内部会产生压力。
图4. 当您向水瓶中添加空气时,内部会产生压力。结果,塑料壁和瓶内的液体将感受到更大的推动力。

就像消防水带一样,水面上施加的压力越大,水流出的速度越快,推动瓶内火箭的压力就越大。

科学家使用几个单位来量化压力。在这个科学项目中,您将以磅/平方英寸来测量瓶子中的压力(psi)因为这是自行车泵的测量单位。但是,psi不是公制单位,在科学中使用公制系统。如果您的老师希望您使用公制系统,那么您需要以帕斯卡(Pa)记录压力,也称为每平方米牛顿(N/m 2 )。你可以使用在线计算器这一个可以在磅/平方英寸和帕斯卡之间进行转换。

术语和概念

  • 火箭
  • 反应引擎
  • 气压
  • 每平方英寸磅

问题

  • 火箭用什么机制将自己抬离地面,导致向前运动?
  • 除了升空前水瓶火箭中的空气,为什么你会有水(这是很重)?
  • 除了升空前水瓶火箭中的水,为什么你会有空气(质量很小但可以压缩以产生更大的压力)?

参考书目

有关水火箭的更多信息,请参阅:

有关气压的说明,请参阅:

有关如何测量火箭高度的更多信息,请参阅:

有关转换压力单位的帮助,请参阅:

有关创建图表的帮助,请尝试使用以下网站:

材料和设备

  • 可从 Amazon.com
  • 汽水瓶(2升)
    • 选择一瓶碳酸饮料或冰茶,因为其他瓶子可能不够坚固。
  • 海拔跟踪器可从 Amazon.com
  • 水(4加仑)
  • (可选)清空1加仑的瓶子,如果您需要将水运送到开放空间,这将有所帮助。
  • 量杯(1 L)
    • 杯子或烧杯,体积标记为毫升(mL),如此量杯可从 Amazon.com 是首选,但不是必需的。
  • 漏斗(填充2升瓶装)
  • 永久性记号笔
  • 带压力表的自行车泵,如此泵,可从 Amazon.com
  • (可选)卷尺。
  • 凡士林
  • 打开户外空间,如公园或运动场,在其中发射火箭
    • 尺寸:长至少40米(130英尺),宽40米(
    • 地面覆盖物:软地面,因此用于固定发射器的U钉可以推入地面。
  • 辅助
  • 成人监督
  • 实验室笔记本

声明:Science Buddies参与联盟计划家庭科学工具 Amazon.com Carolina Biological ,以及 Jameco Electronics 。联盟计划的收益有助于支持Science Buddies,501(c)(3)公益慈善机构,为每个人免费提供资源。我们的首要任务是学生学习。如果您对我们网站上的建议您为科学项目所做的购买有任何意见(正面或负面),请告诉我们。写信给我们 scibuddy@sciencebuddies.org

实验程序

警告:以下是在开始此项目之前应阅读的一些一般安全准则。

  • 选择观察点,以便在观察发射时不要仰望太阳。望着太阳会伤害你的眼睛。
  • 始终将发射瓶中的压力保持在50 psi以下.
  • 在发射之前,务必使用U peg将瓶子火箭发射器固定在地面上。
  • 从不在压力下倾斜于瓶子火箭。
  • 每次发射前,在旁边发射器周围保持4.5米(约15英尺)的安全区域。
  • 给发射弦一个温和,快速拖拽;强大的猛烈撞击可能会导致发射器松动并以不安全的方向发射。
  • 重要:如果发射失败,请按成人按照瓶子火箭发射器手册中描述的启动失败程序帮助您取出瓶子.

主页准备

  1. 清空2升汽水瓶并用水冲洗。取下并丢弃外包装和盖子。
  2. 检查瓶子是否适合发射器:
    1. 将空瓶放在发射器上。将瓶子向下推,使其越过薄黑环,如图5所示。
    2. 尽可能将瓶子拉回来。启动释放闩锁应将其固定到位,如图6所示。您可能必须将连接发射线的金属夹移动到释放手柄之外.
需要将瓶子火箭推到&lt; i&gt;上&lt;/i&gt;发射器的薄黑环。
图5。瓶子火箭需要在发射器的薄黑环上推动,如右图所示。在左边的图像中,瓶子没有被推得足够远。

发射释放手柄需要接触瓶子火箭才能成功发射。
图6。启动释放手柄需要触摸瓶火箭以创建成功的启动,如右图所示。

  1. 做一个标记,指出火箭发射的初始水/空气比。
    1. 在这个科学项目中,你将保持瓶火箭中水与空气的初始比例不变。三分之一的体积将充满水,三分之二的瓶火箭将充满空气。为方便启动,请在瓶子上标明此级别,如下一步所述。
    2. 体积为2L的三分之一约为0.7L或700mL。在量杯中测量0.7升水.注意:如果您的量杯没有公制体积,请测量3 C。
    3. 确保适合后,将瓶子从发射器中取出。用漏斗小心地将水倒入瓶中.注意:如果您意外溢出,请清空瓶子并测量烧杯并重复步骤b。和c。
    4. 将瓶子放在平坦的表面上,等待水停止移动,然后用永久性标记跟踪整个瓶子周围的水线,如图7所示。一旦您追踪到线条,就将水倒空.
将瓶子火箭填充到其体积的三分之一后,水线跟踪永久性标记。
图7. 将瓶子灌到其体积的三分之一后,用永久性标记描绘水线。

  1. 将下表复制到实验室笔记本中;你将用它来记录你的测量结果。

平均值

测量角度(°)
气压(psi)

试验1 试验2 试验3 观察
10
20
30
40
表1。这样的表将用于记录测量和观察。

  1. 了解如何使用高度查找器。
    1. 在这个科学项目中,你需要测量火箭到达的最大高度。使用高度探测器,您将测量水平线与火箭飞行轨道上最高点之间的线之间的角度,如图8所示。图9显示该角度越大,火箭越高。请注意,为使其有效,观察者(持有高度探测器的人)与发射器保持固定距离非常重要。
      使用高度探测器测量瓶子火箭达到的高度
      图8. 使用高度探测器测量火箭高度的人.(左)火箭几乎没有离开地面.(中)火箭升到中等高度.(右)火箭非常高。注意随着火箭越来越高,测得的角度越大。红色箭头之间的角度表示测量角度,高度探测器和水平面之间的角度。

      海拔探测器将显示更高点的更大测量角度。
      图9。更高的点导致更大的测量角度。请注意,观察者在图中用橙色圆点表示。


    2. 阅读海拔探测器包装盒上有关如何使用海拔探测器的说明。您将遵循这些说明,除非您将自己置于距离发射器23米(而不是152米)的位置。这个距离为这个科学项目达到的高度提供了很好的精确度.
    3. 注意:海拔探测器允许在0°和70°之间进行测量。超过70°的读数将导致测量不准确。如果您的火箭确实越高,请增加观察者与瓶子火箭发射器之间的距离所有您的测量值。请注意,如果这样做,您将无法再使用表2将角度转换为高度。相反,您可以使用图形方法(如变体中所述)将角度转换为高度,或者让精通数学的人为您创建转换表。

      技术说明:

      将观察者保持在与发射器固定的距离允许您将使用高度探测器测量的角度(以度数表示)转换为高度(以m表示)。这样做的数学高于这个科学项目的难度级别,因此我们已经包含表2来帮助您进行转换。该表列出了距离物体23米处观察者的角度,角度为0°到70°。

      角度(°)

      高度(m) 角度(°)

      高度(m) 角度(°)

      高度(m) 角度(°)

      高度(m)
      0 0 20 8.4 40 19.3 60 39.8
      2 0.8 22 9.3 42 20.7 62 43.2
      4 1.6 24 10.2 44 22.2 64 47.1
      6 2.4 26 11.2 46 23.8 66 51.6
      8 3.2 28 12.2 48 25.6 68 56.8
      10 4.1 30 13.3 50 27.4 70 63.1
      12 4.9 32 14.4 52 29.4
      14 5.7 34 15.5 54 31.6
      16 6.6 36 16.7 56 34.0
      18 7.4 38 18.0 58 36.8
      表2。此表允许您将距离物体23 m处的观察者的测量角度(以度数表示)转换为高度(以m表示)。

      请注意,当观察者靠近发射器时,对应于角度的高度(例如20°显示高度为8.4 m)远小于高度探测器盒上指示的高度(20°显示高度) 55米)。

      您可以选择将测量值保留为此项目的角度,或将角度转换为以米为单位表示的高度。

    4. 从相对较高的物体(例如多层房屋或高大的树木)站立一个合理的距离(如23米或75英尺).提示:由于你的火箭发射器的发射线长15英尺,你可以将它背靠背放置五次来测量75英尺或23米的距离。
    5. 使用高度查找器获取此对象高度的度量。
      1. 将高度探测器指向物体的最高点。
      2. 按下你的高度探测器的扳机并等到摇臂悬挂之后再释放扳机,冻结挥杆.
      3. 从高度探测器读取摆动指示的角度。该角度是对象高度的度量。
    6. 在实验室笔记本中记下您的测量角度。
    7. 站在相同的观察点,重复步骤e。测量同一物体的部分的高度(例如,第一层的高度或树的树干)。请注意,您作为观察者与对象之间的距离没有改变。
    8. 在实验室笔记本中记下您的测量角度。
    9. 确保下部物体的测量角度(在步骤g中测量)小于上部物体的测量角度(在步骤e中测量)。
    10. 可选:使用表2将测量的角度转换为以米为单位表示的高度。在测量角度旁边的实验室笔记本中写下您的结果。
    11. 如果您的测量结果不正确:
      1. 检查您作为观察者与您测量的物体(高和低物体)之间的距离是否相同。
      2. 重试,确保在释放扳机之前等待摆臂悬挂,然后冻结挥杆。
      3. 阅读高度探测器随附的说明,尤其是有关如何使用触发器以及如何阅读角度的说明,请务必按照说明进行操作.
      4. 如果上述所有情况都失败,请让成年人帮助您学习如何使用海拔探测器。

保护观察点并准备发射

你们都准备出门了,找到一个好位置并准备发射! 注意:如果您的位置无法获取水,请随身携带约4加仑的水。检查材料列表,了解您需要携带的其他对象。

  1. 找一个发射区。
    1. 40米(130英尺)长,40米宽的空间。
  2. 搜索一个好的发布地点:
    1. 发射器应放在平坦区域.
    2. 地面应柔软,以便固定发射器的U钉可以推入地面。
  3. 找到与风成直角的方向。如果您几乎感觉不到风,可以跳过此步骤。
    1. 将自己置于发射位置,转动自己让风吹在你的脸上.
    2. 伸展双臂,使它们形成一条直线,如图10所示。
    3. 双臂指向与风成直角的方向。您将在步骤4中使用这些说明。
当风刮到你的脸上时,伸出的手臂会指向方向与风成直角。
图10. 当风刮到你的脸上时,伸出的手臂会指向与风成直角的方向。

  1. 找到与此发布位置关联的观察点。测量距离为23米,从发射位置开始,朝向与风成直角的方向(选择伸展时人的手臂指向的两个方向中的一个),如果你几乎感觉不到风,各方面都很好。
    1. 提示:由于您的火箭发射器的发射线长15英尺,因此将其背靠背放置五次可以测量75英尺或23米的距离./LI>
    2. 用重物来标记这个地方,比如背包或装满水的瓶子。这是将使用高度探测器的观察者的位置.
    3. 确保观察者在他或她跟随火箭时不会注视太阳。如果他或她这样做,拿起你的重物并在发射台的另一侧测量23米(在第3步中找到的第二个方向).
    4. 如果出于任何原因,您对观察点不满意,请重复步骤2-4,直至找到令人满意的发射和观察点。
  2. 如手册中所示,使用U peg将发射器固定在地面上。图11显示了一个安全良好的发射器.
瓶子火箭筒代替由U持有PEG去在发射器和推进入地面。
图11. 发射器通过U形钉固定在发射器上并推入地面。

测试运行

准备爆炸吗?是时候试试你的火箭了!

  1. 用干净的水将瓶子火箭填充到指定的水位。
  2. 将瓶子放在发射器上。你需要快速运动,以便只洒一点水。如果这太难了,你还可以:
    1. 松开U钉,以便拿起发射器,
    2. 将其倒置在瓶子上,如图12和
    3. 所示

    4. 使用U peg将发射器与瓶子固定在地面上。
将瓶子火箭放在地上并将发射器倒置在瓶子里喷口可以让你在没有洒水的情况下安装火箭。
图12. 将瓶子火箭放在地上并将发射器倒置在瓶口中,这样您就可以在不洒水的情况下安装火箭。

  1. 布置您的启动字符串。
  2. 将自行车泵安装到发射器上。
  3. 给瓶子火箭加一点空气。
    1. 泵直到您的压力表显示20 psi。
  4. 清除旁观者的区域并远离火箭发射器,直到发射线的末端。
  5. 通知观察者准备测量。
  6. 通过快速轻柔地拉动发射线来发射火箭。
  7. WOW!你看到你的火箭飞了吗?如果没有,请在识别并解决问题后立即转到常见问题解答部分并执行新的测试运行。
  8. 请注意,真正的火箭发射会附带启动程序,包括一长串安全检查。在实验室笔记本中记下发布的启动程序:
    1. 在您的程序中包含警告部分中列出的所有安全提示。
    2. 包括手势信号,通知观察者准备发射,发射失败等等。

进行测量

  1. 您将测量火箭在四种不同气压(10,20,30和40 psi)下达到的最大高度。
  2. 按照 Test Run 步骤1-4中的说法准备火箭。
  3. 向瓶内火箭添加空气,直到压力表显示40 psi。
  4. 完成启动程序。
  5. 观察者使用高度探测器测量表示火箭达到的最大高度的角度。如果您需要更新有关如何使用高度探测器的记忆,请参阅了解如何使用高度探测器部分。
  6. 在表格中记下测量的角度,如表1所示。
  7. 重复步骤2-6,对于30 psi,20 psi,然后10 psi。
  8. 这结束了一组测量(一次试验)。如果你愿意,你可以在这里休息一下。
  9. 在发射器的黑色环上擦一些凡士林,使其保持良好状态。
  10. 重复步骤2-9两次,共计三组测量(试验)。不要忘记在两次试验之间执行第9步。

分析您的数据

  1. 计算每个压力的平均角度。

    1. 从测量开始,压力为10 psi。以下示例可能对您有所帮助。假设您在第一次试验中测量10°,在第二次试验中测量15°,在上次试验中测量13°。要计算平均值,首先将这些测量值相加(在这种情况下产生38°)并将结果除以测量次数(在这种情况下为3)。压力为10 psi的平均角度为13°(因为38/3为12.66,可以舍入为13)。
    2. 继续进行20,30和40 psi的测量。
    3. 不要忘记在表格中记录您的计算值,如表1所示。
  2. 可选:如果您决定将角度转换为以米为单位表示的高度:
    1. 制作一张额外的表格,如表3所示。
    2. 使用表2 查找与平均角度相对应的高度,并将其记录在表格中。

瓶内火箭的气压
(psi)
平均测量角度(°) 相应的高度
(m)
10
20
30
40
表3。记录测量的平均角度和相应高度的表格。

  1. 可选:将以磅/平方英寸表示的压力转换为公制系统单位帕斯卡(Pa)。有关用于表达压力的单位的更多信息,请参阅​​简介
  2. 制作平均角度数据与气压的折线图。将压力(以psi或Pa为单位)放在x轴上(水平轴穿过)并将平均角度(以度为单位)放在y轴上(垂直轴上下移动)。
    1. 您可以手动制作图表或使用计算机程序制作图表,例如创建图表,打印出来。
  3. 可选:如果您将角度转换为高度,请绘制高度数据与气压的折线图。将压力(psi或Pa)放在x轴上(水平轴穿过)并将高度(m)放在y轴上(垂直轴上下)。
  4. 查看数据表,图表和观察结果,并尝试从结果中得出结论。请记住,更大的角度意味着火箭达到更高的点。
  5. 您可以根据在火箭发动机中产生更多压力以及火箭向上运动的原因来解释您的结果,这在​​简介 <?/LI>

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变体形式

  • 在这个科学项目中,你研究了瓶内火箭的压力如何影响火箭达到的最大高度。您还可以保持压力恒定(例如40 psi)并研究水与空气的比例如何影响火箭达到的最大高度。您可以测量1/8体积的水(.25 L); 1/4水(.5升); 1/2水(1升)和3/4水(1.5升)。请注意,2升瓶装火箭的水量列出。
  • 作为科学项目的补充,您可以添加绘图以显示平均测量角度如何与达到的高度相对应。有关做什么的简要说明:
    • 在图形的下端选择一个水平.
    • 将观察点和发射位置放在水平方向上,它们之间的距离为23个单位.23个单位距离代表观察者和现实生活测试中发射点之间的23米。这意味着图纸上的一个单位距离代表1米。
    • 在发射位置绘制一条垂直线。您将测量此线上获得的最大高度。
    • 使用放置在观察点的量角器测量相对于水平面的平均角度(测试结果)。图13显示了如何放置量角器来测量角度。
    • 从这些角度绘制线条,从观察者开始,从发射位置通过垂直线(图13中的红色,蓝色和黄色线条)。该线穿过垂直线的位置表示火箭达到的最大高度。
    • 您可以使用比例尺测量火箭在垂直方向上达到的高度(图纸上的一个单位距离等于1米)。
    • 确保命名轴,并在图形中添加图例和刻度指示。并非所有这些都显示在图13中。

      显示平均测量角度与达到的高度有关的比例图。
      图13. 显示平均测量角度与获得高度的关系的比例图。用量角器测量角度。请注意,此图中省略了图例和比例。

      请注意,您可以在参考书目中找到关联距离,角度和高度的数学公式。

  • 研究在达到的最大高度时增加机翼或使火箭更符合空气动力学的效果。
  • 请参阅火箭科学:你能发多高一个有效载荷?项目的想法,关于如何创建一个空气动力学瓶火箭的想法,并用它来研究当你的火箭提升有效载荷时最大高度达到的程度。