水火箭高级设计方法

深入剖析水火箭

水火箭一直是我校科技节上一项重要的比赛，但因其原理和设计都比较简单，部分同学认为其没有挑战性。其实不然，正因为部分同学认为其原理及其制作简单，才使水火箭的高度一直没有突破。请相信，“把平凡的事情做到极致才是伟大！”我下面从两个方面阐述我个人对水火箭的认识。

理论角度：

水火箭的的基本原理是反冲原理。许多同学在做水火箭之前，都会想到上网查一下其原理及相关步骤，然后根据了解到的步骤一步步做下去。

要使一个物体从静止开始运动，必须有力作用在物体上，并且作用一定时间T。力F和时间T的乘积FT叫做力的冲量。要使水火箭发射，就必须有冲量作用在水火箭上。这种冲量就是由水火箭内空气瞬间膨胀对水做功形成反冲。

现实生活中，我们经常会看到这样的现象，一个充足气的气球拿在手上，突然放手时，气体从气球中喷出来，这时气球就向相反方向飞出。这种运动遵循动

量守恒定律。物理学上称作反冲。m

水v

水

=m

箭

v

箭

。理论上水量越多，可以使水

火箭获得更大的冲量。

水火箭飞行所能达到的最大速度，也就是动力系统所提供的动力全部用完时的最终速度，主要取决于两个条件，一个是喷水速度，二是质量比（火箭开始飞行时的质量与动力耗尽时的质量之比）。喷气速度越大最终速度越大，了解这样原理之后就可以制作水火箭了。

现实操作：

根据上述原理，可以很容易进行操作，操作过程中要注意以下几点：水火箭要有基本的火箭外形，如箭头、箭身、尾翼、动力系统；箭头要做成标准的圆锥状，且在安装时注意不能装歪，否则影响飞行方向；箭身平滑，减小空气阻力；尾翼大小适中，且等距分布；动力系统能提供一定能量。（动力系统：向瓶中装入约1/3体积的水，用装上进气系统的橡皮塞封口，通过向瓶内打气，使动力系统获得能量）。以上做法是历年来水火箭的基本做法。

这种方法做出的水火箭一般飞行高度在30m以下，时间7s以下，这次科技节的水火箭比赛时，绝大多数在3s-7s之内，而我们班水火箭飞的高度最高达80m，时间为12s，其有三大原因。在此与广大同学进行分享，主要是为了共同

提高同学对水火箭的认识，也希望高一同学在此基础上取得突破性成绩。

1. 比赛期间可以发现，有些水火箭似乎获得了很大的冲量，但飞得不高。有两个原因，一是因为重心在火箭下部，当重心在火箭下部时，由于空气阻力的作用，会使火箭升空后翻腾，对飞行高度有很大影响。二是因为火箭的质量太轻。从理论上来说，火箭的质量是越小越好，但是由于空气阻力的影响，并不是质量越小越好，这点将在第三点说明。

2. 水火箭动力系统中最重要的是橡皮塞，绝大多数同学使用的都是实验室提供的4号塞子，因为4号塞子大小正好，符合可口可乐饮料瓶口，但是当把自行车气嘴装上后，4号塞子会被撑大，并不能很好地符合瓶口大小。而且最大一个缺点是4号塞子两端粗细相差较大，而瓶口是均匀的圆柱状。圆锥状的4号塞子与瓶口不能很好的切合，使得塞子很容易被气压顶开，不能使水火箭获得较大能量。我们班几个相关同学经过研究后发现，使用比4号更小一点的塞子可以弥补这些缺点，我们把它称为3号塞子。3号塞子接近圆柱状，且装上进气气嘴后，大小与瓶口切合很好。而且再加上用螺丝帽将橡皮塞两端压缩，加大塞子与瓶口的摩擦力。这样只有高气压才能将其顶开，使火箭获得更大的冲量。

3. 这样使火箭有很大的冲量后，火箭的自身质量不能太小。因为自身质量太小的话，受到空气阻力的影响就会增大。所以要在火箭头加适当配重物，配重物的质量由火箭各项性能决定。最好用密度较大的小体积物体作配重物。若要给火箭加外壳，需要减小配重物质量以抵消外壳质量。下面，是最重要的方面，许多前人通过试验得知，水量加到1/3体积时最合适。但是对于具有较大冲量的火箭来说，1/3体积的水是不够的，水多并不意味着火箭的质量会变大，而是会减少瓶内所能容纳空气的体积，这样会导致高压气体做功能力减弱，因此，水量也不能太多。经过理论指导与我们的多次试验，发现把水量加到接近1/2体积时效果最佳（但是如果没有用第3种方法的话，不能加水到1/2）。（原理见理论角度.）通过这三个创新方法，可以大大提高水火箭高度，希望高一同学在下一届科技节中刷新海中水火箭的高度。把平凡的事情做到极致才是伟大！

高三（8）班

张奎亮