飛吧，水火箭

鄭天響

一、研究對象

水火箭發射的噴水階段和垂直向上的拋物線運動階段的有關數據。

二、研究方法

（一）運用公式，從理論上計算出水火箭的升空高度。

1.步驟

（1）計算壓縮空氣膨脹后的體積，換算出被噴出的水的體積。

（2）計算壓縮空氣推動水噴射所做的功。

（3）通過能量守恒定律，計算水的噴射速度。

（4）運用動量守恒定律計算水火箭的前進速度。每一個微小單位的水噴射都為水火箭提供前進速度，把全過程的每一個微小的前進速度相加就是水噴射完畢時水火箭獲得的拋物線運動的初始速度。

（5）通過能量守恒定律，計算水火箭垂直向上的拋物線運動高度。

在計算過程中，忽略空氣阻力。

2.計算過程實例

通過試驗得知，容積為1.25L的塑料瓶在裝水0.5L的情況下，使軟木塞能脫離瓶口的氣壓大約是3bar。本研究將瓶內的氣壓值拆分成間隔為0.01bar的一系列壓力，計算得出水火箭在這一系列不同的壓力值下對應的升空速度和高度。將這一系列速度值和高度值分別求和，即為水火箭在瓶內的水噴射完畢的瞬間（此時瓶內的壓力還沒有降為零）的升空速度和高度。

我將基礎數據設定為水火箭不含水時的凈重為120g，瓶子容積為1 250ml，瓶內氣壓為3bar，瓶內加水500ml。

通過計算可得，當瓶內氣壓為1.8bar時，瓶內的水被完全噴出。噴水過程壓縮空氣所做的功為116.2J，在離地0.78m處水被完全噴出，水火箭獲得34.2m/s的初始速度，做垂直向上的拋物線運動。在不考慮空氣阻力的情況下，水火箭還可提升59.57m的高度，所以水火箭上升的總高度為60.35m。……