水火箭的奇妙原理:為什麼水能讓火箭飛得更高?

水火箭是一種利用水作為反應推進劑的模型火箭,運用壓縮氣體強迫水流出,從而產生推力。這種火箭的運作原理源自牛頓第三運動定律,具體而言,即物體在受到作用力時,會產生等大反向的反作用力。水火箭的愛好者通常使用塑料瓶作為其壓力容器,並可能會使用多個瓶子搭建成多階段火箭,以追求更高的飛行高度。

水火箭的運作過程

使用水火箭時,首先將塑料瓶部分填充水並密封,接著用空氣壓縮器或自行車打氣筒等設備將瓶內氣體壓縮至高達125 psi。

這種氣體提供了一種能量存儲的方式,而水則通過增加推進劑的質量來提升推力。

當火箭的噴嘴密封被釋放後,水以高速度排出,促使火箭向上飛行,這種階段的持續時間與水的體積、初始壓力、噴嘴的大小和火箭的重量等因素皆密切相關。

水火箭的組成要素

瓶子

一般而言,一個增壓的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)碳酸飲料瓶作為壓力容器;組成多瓶火箭時,兩個或以上的瓶子可以以多種方式連接在一起。

這樣雖然增加了重量,但能延長火箭的推進時間,讓其飛得更高。

氣體來源

在壓縮水火箭的過程中,氣體的來源非常多樣化,包括自行車或車輛的手動打氣筒、壓縮空氣設備及瓶裝氣體如二氧化碳和氮氣。但需小心使用以避免爆炸。

噴嘴設計

水火箭的噴嘴設計與傳統燃燒火箭有所不同,其無需擴散段,由於水不具可壓縮性,擴散段反而降低效率。

水火箭的噴嘴可分為開放式和限制式,開放式噴嘴提供更大的推力,限制式則延長了推進時間。

穩定系統及降落裝置

設計時,穩定器的配置非常重要,因為火箭推進過程中,質量中心會上升,這會影響其穩定性。因此設計適當的穩定器和回收系統,可以有效降低火箭墜落時的損害風險。

競賽及成就

水火箭大賽吸引了大批愛好者,各類形的比賽旨在測試距離、高度和飛行持續時間等綜合表現。

例如:英國的國立物理實驗室每年舉辦的水火箭挑戰賽,涵蓋各教育機構和團隊,頗具影響力。

世界紀錄

水火箭的世界記錄持續被打破。最近的紀錄包括:2017年斯里蘭卡皇家學院以1950枚水火箭同時發射的世界紀錄以及日本的NPO昭和學園以7.72米的水火箭創下的最高紀錄。

熱水火箭

除了普通水火箭外,「熱水火箭」或「蒸氣火箭」依賴高溫水轉變為蒸氣,通過噴嘴排放以產生推力,顯示出水的另一種奇妙用途。

水火箭不僅是科學的簡單演示,還是一個結合性能和設計的挑戰。當我們考慮現代火箭的背景及其多樣化應用時,我們不禁要思考:未來的水火箭還能帶給我們什麼樣的驚喜呢?

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