李江 尹紅

摘? ?要：筆者調(diào)研了國(guó)內(nèi)外水火箭研究的狀況，設(shè)計(jì)了二級(jí)分離器和延時(shí)繼電器，研制了一種可以實(shí)現(xiàn)一級(jí)箭體和二級(jí)箭體分離的二級(jí)水火箭，介紹了水火箭的制作及發(fā)射的方法。

關(guān)鍵詞：二級(jí)分離;水火箭;延時(shí)繼電器;制作;發(fā)射

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）3-0048-3

編者按：1999年8月20-23日在桂林廣西師大召開的國(guó)際物理教師會(huì)議期間，來自日本的物理教師團(tuán)隊(duì)做了發(fā)射多級(jí)水火箭的表演。給代表們很大的啟發(fā)。會(huì)后，西南師大（現(xiàn)西南大學(xué)）的物理教師在本科教學(xué)和中學(xué)物理教師培訓(xùn)工作中，水火箭的制作與發(fā)射都列為一個(gè)重要內(nèi)容[1]。現(xiàn)在20年過去了，期待年輕的教師把水火箭的制作提高到一個(gè)新水平。

2018年中國(guó)的長(zhǎng)征十一號(hào)運(yùn)載火箭多次成功發(fā)射，鼓舞著國(guó)人的心。水火箭實(shí)驗(yàn)是初高中教材中的重要內(nèi)容，同時(shí)許多學(xué)校開設(shè)了水火箭制作的科技活動(dòng)。通過水火箭的制作和使用，不但能夠提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ矣兄诩由顚W(xué)生對(duì)反沖運(yùn)動(dòng)等物理知識(shí)的理解。

1? ? 國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀

1.1? ? 國(guó)外現(xiàn)狀

水火箭的最早研究還是在國(guó)外，比如說美國(guó)和澳大利亞。國(guó)外制作的水火箭種類比較多，從單級(jí)水火箭到多級(jí)水火箭再到捆綁水火箭，尤其是澳大利亞的一對(duì)父子研究的最為先進(jìn)，國(guó)外的大型二級(jí)水火箭的發(fā)射高度可達(dá)到160 m[2]。

1.2? ? 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)有關(guān)水火箭的研究相對(duì)來說起步較晚，主要是單級(jí)水火箭的研究比較多，二級(jí)水火箭的研究比較少[3-4]。本文介紹一種可以實(shí)現(xiàn)一級(jí)箭體和二級(jí)箭體自動(dòng)分離的二級(jí)水火箭的制作及使用方法。

2? ? 二級(jí)可分離水火箭（含發(fā)射架）的制作

帶延時(shí)降落傘的二級(jí)分離水火箭（含發(fā)射架）的制作主要分為幾個(gè)部分：箭體的制作、二級(jí)分離器的制作、二級(jí)降落傘倉及降落傘的制作和發(fā)射架的制作。

2.1? ? 水火箭箭體的制作

二級(jí)分離水火箭實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)圖如圖1。

（1）器材

1.25 L的可口可樂瓶3個(gè)，空心螺絲1個(gè)，螺母2個(gè)，硅膠圈2個(gè)，螺紋噴嘴，硬薄塑料板，AB膠水等。

（2）一級(jí)箭體的制作

①將2個(gè)1.25 L的可口可樂瓶的尾部打兩個(gè)直徑相同的孔;

②將打好孔的2個(gè)1.25 L的可口可樂瓶尾尾對(duì)齊，用空心螺絲連接好;

③在塑料板上畫三個(gè)直角梯形，然后用剪刀剪下;

④用AB膠水粘在一級(jí)箭體的尾部。

（3）二級(jí)箭體的制作

將第3個(gè)可口可樂瓶的瓶蓋擰下來放在一邊，這個(gè)單瓶作為二級(jí)儲(chǔ)水箭體;然后，在塑料板上畫合適大小的直角梯形并剪下，再用AB膠水粘上，制成水火箭的機(jī)翼。

2.2? ? 二級(jí)分離器的制作（如圖2）

（1）器材

可口可樂瓶蓋2個(gè)，亞克力管（內(nèi)徑6 mm，外徑8 mm）1根，氣動(dòng)接頭1個(gè)，單向閥1個(gè)，細(xì)銅線數(shù)根，乳膠管（內(nèi)徑8 mm，外徑10 mm）1根，空心螺絲和螺母各2個(gè)，密封圈。

（2）制作方法

①將2個(gè)可口可樂瓶蓋打兩個(gè)相同口徑的孔;

②一個(gè)可口可樂瓶蓋用氣動(dòng)接頭接上，然后在氣動(dòng)接頭一頭插上亞克力管;

③把空心螺絲固定在另外一個(gè)可口可樂瓶蓋上，一頭固定乳膠管;

④乳膠管的另外一頭固定單向閥。

2.3? ? 二級(jí)箭體降落傘倉及降落傘的制作

2.3.1? ? 降落傘倉的制作（結(jié)構(gòu)圖見圖3）

（1）器材

1.25 L的可口可樂瓶1個(gè)，乒乓球1個(gè)，舵機(jī)1個(gè)，紙板1張，驅(qū)動(dòng)板延時(shí)繼電器（型號(hào)Rism1路）1個(gè)，細(xì)導(dǎo)線若干，方形電池1個(gè)，橡皮筋2根，小型開關(guān)1個(gè)，雙面膠布1個(gè)。

（2）制作

①將可口可樂瓶在距離瓶口2/3處切開，再將可口可樂瓶口切掉;

②將乒乓球切去一半并粘在可口可樂瓶口;

③將紙板切割并制作成如圖3所示的結(jié)構(gòu)，并將電池、舵機(jī)、延時(shí)繼電器固定在相應(yīng)的位置;

④將降落傘倉套進(jìn)切好的可口可樂瓶里。

2.3.2? ? 降落傘的制作

（1）器材

雨傘布2塊，30 cm長(zhǎng)的細(xì)線若干。

（2）制作

a. 將兩塊雨傘布剪成兩個(gè)正六邊形;

b.在每個(gè)角落扎一個(gè)孔，并在每個(gè)孔系一根細(xì)線，就做成了降落傘，每一級(jí)火箭需要配一個(gè)降落傘。

2.4? ? 發(fā)射架的制作（圖4）

（1）器材

快速接頭（型號(hào)4分）1個(gè)，木板1塊（長(zhǎng)0.4 m，寬0.4 m），支架4個(gè)，導(dǎo)軌4根，氣嘴，尼龍線1根，直支架1個(gè)。

（2）制作

①在木板的正中間打一個(gè)小孔，將安裝有氣嘴的快速接頭固定在小孔上;

②在四個(gè)腳安裝支架，并安裝導(dǎo)軌。

3? ? ?水火箭的飛行原理

3.1? ? 飛行原理

二級(jí)水火箭飛行的動(dòng)力來自高壓水的反沖力。當(dāng)?shù)谝患?jí)水火箭上升到一定高度減速到一定程度時(shí)，一級(jí)箭體里面的氣壓減小后，乳膠管對(duì)二級(jí)箭體亞克力管的壓力也減小，從而第二級(jí)水火箭就會(huì)在瓶?jī)?nèi)氣壓的作用下脫離一級(jí)箭體，實(shí)現(xiàn)二級(jí)自動(dòng)分離。一級(jí)箭體分離后，二級(jí)箭體加速飛行（發(fā)射高度可達(dá)120 m左右）。水火箭飛行到一定高度后，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)置好的延時(shí)時(shí)間，降落傘倉門自動(dòng)打開，降落傘被彈出倉門，在空氣阻力的作用下降落傘會(huì)打開。

3.2? ? 與一級(jí)水火箭相比，二級(jí)水火箭的改進(jìn)之處

過去，單級(jí)水火箭有儲(chǔ)水少、射程近、從高空降落著地時(shí)容易摔壞、不能多次使用等一些問題，一直困擾著水火箭的制作者。帶延時(shí)降落傘的二級(jí)分離水火箭的出現(xiàn)，成功地解決了這些問題。首先，二級(jí)水火箭有兩個(gè)箭體，兩個(gè)箭體都能儲(chǔ)水，大大增加了水火箭的射程;其次，二級(jí)水火箭安裝了二級(jí)分離器，實(shí)現(xiàn)了一級(jí)箭體和二級(jí)箭體的自動(dòng)分離;最后，二級(jí)水火箭安裝了延時(shí)降落傘，在二級(jí)箭體下落過程中自動(dòng)打開降落傘，避免二級(jí)箭體落地摔壞，實(shí)現(xiàn)多次利用。

4? ? 二級(jí)水火箭的發(fā)射方法

（1）檢測(cè)一級(jí)箭體和二級(jí)箭體的氣密性，確認(rèn)無誤后再進(jìn)行后續(xù)步驟;

（2）組裝二級(jí)水火箭，并將二級(jí)水火箭固定在發(fā)射架上;

（3）安裝二級(jí)箭體的延時(shí)降落傘;

（4）加水：一級(jí)箭體加三分之二的水，二級(jí)箭體加三分之一的水;

（5）打氣：用小型空壓機(jī)將二級(jí)水火箭加到7～8個(gè)大氣壓再發(fā)射。（正常情況，在這個(gè)大氣壓下能飛行100 m左右的高度）。

（6）發(fā)射：選擇一個(gè)較為空曠的發(fā)射場(chǎng)地，打開事先設(shè)置好的延時(shí)繼電器開關(guān)（注意：一般水火箭飛行時(shí)間在6～8 s，為了確保有充足的時(shí)間進(jìn)行發(fā)射，設(shè)置延時(shí)繼電器的延時(shí)時(shí)間為10 s左右），確保無風(fēng)的情況下?lián)軇?dòng)發(fā)射架開關(guān)，水火箭就騰空而起。

5? ? 注意事項(xiàng)

5.1? ? 穩(wěn)定性

各級(jí)箭體的大小搭配要合適，一般來說，由于一級(jí)箭體在底部，二級(jí)箭體在上面，一級(jí)箭體的節(jié)數(shù)要比二級(jí)箭體的節(jié)數(shù)多，這樣才能保證整個(gè)二級(jí)箭體的穩(wěn)定性。

5.2? ? 氣密性

氣密性是二級(jí)水火箭發(fā)射成敗的關(guān)鍵，容易出現(xiàn)漏氣的地方有：一級(jí)箭體的連接處、二級(jí)分離器的連接處和噴嘴處。所以，在制作過程中，要在這3個(gè)環(huán)節(jié)多加注意，制作好后要先檢查二級(jí)水火箭的氣密性后再發(fā)射。

5.3? ? 注意安全

帶延時(shí)降落傘的二級(jí)水火箭的制作是比較復(fù)雜的，起飛時(shí)有一定的危險(xiǎn)性，建議由有制作實(shí)驗(yàn)儀器經(jīng)驗(yàn)的物理教師進(jìn)行二級(jí)水火箭的制作工作。取得實(shí)際經(jīng)驗(yàn)后，再指導(dǎo)學(xué)生參與。特別是在發(fā)射二級(jí)水火箭的時(shí)候，要注意把握火箭的飛行方向，更要做好學(xué)生的安全防護(hù)工作。

6? ? 小? ?結(jié)

在水火箭技術(shù)研究過程中，帶延時(shí)降落傘的二級(jí)水火箭的制作具有重要的意義。實(shí)現(xiàn)讓水火箭發(fā)射得更遠(yuǎn)，在空中一級(jí)箭體和二級(jí)箭體能夠分離。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了箭體在下落過程中自動(dòng)打開降落傘倉門，使火箭箭體隨降落傘慢慢地降落，起到保護(hù)的作用。實(shí)現(xiàn)了水火箭的反復(fù)利用。

在制作和使用過程中，會(huì)遇到一些困難。但是通過二級(jí)水火箭的制作和發(fā)射，不但可以培養(yǎng)教師的指導(dǎo)能力和學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力，還可以加深對(duì)一些物理知識(shí)（動(dòng)量守恒定律、反沖和牛頓第三定律）的理解。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂宗友，陳曉莉，王柏廬.水火箭的制作與發(fā)射[J]. 物理教學(xué)探討，2002，20（9）：44-45.

[2]Air Command：Water Rockets，28th October 2017. http：//www.aircommandrockets. com/site_index.htm#Videos

[3]汪海. 二級(jí)加壓水火箭的制作方法[J]. 物理實(shí)驗(yàn)， 2012， 32（6）：23-25.

[4]秦仲強(qiáng).研制“水火箭”[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2000，29（11）：39-40.

（欄目編輯? ? 王柏廬）