Ugrás a tartalomhoz Lépj a menübe
 


Vízrakéta

A rakétahajtás elvét nagyon látványosan szemléltető kísérlet.
A rakétatest egy 1,5 vagy 2,5 literes műanyag flakon, amelyet kb. félig töltünk meg vízzel. A palack száját szorosan illeszkedő, átfúrt parafadugóval zárjuk le, amelyben egy bicikliszelepet helyezünk el. Pumpával a palackban a nyomást növelve a dugó egy idő után kinyomódik és a nagy sebességgel hátraáramló vízsugár - jelentős tolóerővel - rakétánkat kilövi. A pumpáláshoz autópumpát használunk, amely 10-12 lenyomás után már elegendő nyomást biztosít a kilövéshez.
Célszerű a kilövéshez valami vezetősínt is alkalmazni, ill. a rakétatestre vezérsíkokat helyezni a jobb iránystabilizálás érdekében.
Figyelem! Kilövéskor gondosan ügyeljünk rá, hogy a rakéta elé senki ne hajoljon be. Kilövés után a palack már veszélyt nem jelent.

Tapasztalataink szerint a rakéta 15-20 m magasságba emelkedik. A kiáramló vízsugár sebessége 5-15 m/s-ra tehető, a rakéta pedig 75 m/s sebességet is elérhet (!). E meglepően nagy sebesség csak rendkívül rövid ideig – mintegy 0,1 másodpercig - áll fenn, akkor amikor a palackban a tolóerőt biztosító víz éppen kifogy. A gyorsulás is ekkor a maximális. Az ezt követő 1-2 tized másodpercben, az igen nagy közegellenállás miatt, a sebesség gyorsan lecsökken 5-10 m/s-ra! Ha a rakétatestre vezérsíkokat építünk, a palack megőrzi hosszirányú helyzetét és így a kisebb légellenállás miatt a fékeződés kisebb mértékű, aminek következtében nagyobb repülési magasság érhető el.
 
A kísérlet kapcsán a következő kérdésekkel szembesülhetünk:
- Milyen veszélyforrások vannak?
- Miktől függhet a rakéta emelkedési magassága?
- Miért előnyösek a vezérsíkok?
- Milyen kilövési szögnél megy legmesszebb, ill. legmagasabbra a rakéta?
- A palack mérete hogy befolyásolhatja a rakéta emelkedését?
- Milyen alakú a röppálya és miért?
- Miktől függ a röppálya alakja, aszimmetriája?
- Mennyi levegőt fújtunk a palackba, kiszámításavizraketa.jpg a pumpa paramétereiből?
- Mennyi lehet a palackban a légnyomás (további mérési, számítási feladat)?
- Hogy mérhetjük meg a rakéta sebességét, emelkedési magasságát?
- Előnyös-e, ha valami nehezéket helyezünk a rakéta orrába?
Érdemes vizsgálni a betöltött vízmennyiség hatását a kilövés magasságára, és elemezni a kezdeti és végső tömeg arányát. Fizika szakkörünk tagjai e témakörben lelkesen kutatgatnak.
A galériában e kísérletről fotó található.

Ötletek a mérésekhez:
Videokamerával készült felvételen - különösen lassított felvétel üzemmódban - filmszerkesztő programmal, néhány századmásodperc pontossággal azonosíthatók a mozgás egyes szakaszai, amelyekből a sebesség és gyorsulási adatok elég jó közelítéssel kiszámíthatók.

A sebesség és gyorsulásadatokat lassított videofelvétellel mértük meg. (Ennek technikai megvalósításáról az Atlétikai mérések c. fejezetben írunk részletesebben).

Az alábbi diagrammon két vízrakéta fellövési folyamatának idő-sebesség grafikonja szerepel, 2011-ből:

 

vizrak2.jpg

Az alábbi diagrammon a rakétára ható közegellenállás nagyságát ábrázoljuk a repülési id függvényében. Jól látható, hogy a közegellenállás a legnagyobb sebességi tartományban eléri a 70 - 140 N értéket, ami érthetővé teszi a víz kifogyása utáni igen erős lassulást.

 

vizrakkozeg.jpg

Mindkét rakéta 0,28 s alatt érte el a 150, ill. 210 km/h sebességet, a lassulás folyamatát itt nem ábrázoltuk.
Mi lehet az oka a két kísérlet közötti különbségeknek? A magyarázat a vízmennyiség eltérésében keresendő. Az 1. sz (kisebb sebességet elérő) rakétát 40 százalékig töltöttük fel, a 2. számút pedig 60 százalékig. A kisebb tömegű flakon nagyobb gyorsulást produkál, azonban rövidebb ideig termel tolóerőt, míg a másik huzamosabb ideig gyorsul.

 Szakköri feladatként megmértük, ill. kiszámítottuk a palackban levő nyomást a kilövés pillanatában. Ehhez egy a rakétához hasonló palackot felvágtunk, olyan módon, hogy belülről is hozzáférjünk a dugóhoz. A dugót egy fémrúd segítségével egyre nagyobb súlyokkal terheltük belülről, és megmértük, mekkora súlynál nyomódik ki.
A dugó 9,5 kg-os tehernél, tehát 95 N-nál jött ki. Figyelembe véve a dugó keresztmetszetét (3,6 cm2), az ehhez tartozó nyomást a p=F/A egyenletből számítottuk ki. (A hetedikesek pont ezt tanulták akkor).
A kilövés pillanatában a nyomás, számításaink szerint így 264000 Pa-nak adódott, ami a légköri nyomásnak
közel 3-szorosa! (Közelítő számításokból ekkor a víz kiáramlási sebessége 20 m/s-ra tehető).

Megkönnyíti a kísérletet, ha kézi pumpa helyett, villanymotoros kompresszort használunk. A mi esetünben a testnevelés szertár labdafújó kopmpresszorát vettük igénybe, amely a kilövéshez szükséges nyomást 8-10 másodperc alatt előállítja.

2014. januári  mérési eredmények:

A rakétatest 2 literes pille palack volt, 60%-ig vízzel töltve. A nyomást labdapumpáló kompresszorral növeltük, a dugó kilökődéséig.
A folyamatról lassított videót készítettünk, amelyet kiértékelve, a rakéta gyorsulására 155 m/s2 értéket kaptunk, az elért sebesség pedig 170 km/h volt.

További, rakétahajtással kapcsolatos kísérletünk, a szódabikarbónás rakéta, ill. a Hőtani kísérletek c. menüpontban a denaturáltszeszes rakétát mutajuk be, és ehhez a témához kapcsolódik a Lufiskocsi és lufirakéta c. menüpontunk is.