飛吧，水火箭

鄭天響

一、研究對象

水火箭發(fā)射的噴水階段和垂直向上的拋物線運(yùn)動(dòng)階段的有關(guān)數(shù)據(jù)。

二、研究方法

（一）運(yùn)用公式，從理論上計(jì)算出水火箭的升空高度。

1.步驟

（1）計(jì)算壓縮空氣膨脹后的體積，換算出被噴出的水的體積。

（2）計(jì)算壓縮空氣推動(dòng)水噴射所做的功。

（3）通過能量守恒定律，計(jì)算水的噴射速度。

（4）運(yùn)用動(dòng)量守恒定律計(jì)算水火箭的前進(jìn)速度。每一個(gè)微小單位的水噴射都為水火箭提供前進(jìn)速度，把全過程的每一個(gè)微小的前進(jìn)速度相加就是水噴射完畢時(shí)水火箭獲得的拋物線運(yùn)動(dòng)的初始速度。

（5）通過能量守恒定律，計(jì)算水火箭垂直向上的拋物線運(yùn)動(dòng)高度。

在計(jì)算過程中，忽略空氣阻力。

2.計(jì)算過程實(shí)例

通過試驗(yàn)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(nèi)的氣壓值拆分成間隔為0.01bar的一系列壓力，計(jì)算得出水火箭在這一系列不同的壓力值下對應(yīng)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(nèi)的水噴射完畢的瞬間（此時(shí)瓶內(nèi)的壓力還沒有降為零）的升空速度和高度。

我將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)定為水火箭不含水時(shí)的凈重為120g，瓶子容積為1 250ml，瓶內(nèi)氣壓為3bar，瓶內(nèi)加水500ml。

通過計(jì)算可得，當(dāng)瓶內(nèi)氣壓為1.8bar時(shí)，瓶內(nèi)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(yùn)動(dòng)。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。……