Weird Science

Rakieta wodna

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w mie­sięcz­niku Młody Tech­nik (6/2014):

Ilustracja

Ples M., Rakieta wodna, Młody Tech­nik, 6 (2014), Wydaw­nic­two AVT, str. 66-67.

Sil­nik odrzu­towy jest to sil­nik dzia­ła­jący na zasa­dzie wyrzu­ca­nia z dużą pręd­ko­ścią stru­mie­nia pły­nów (gazów lub cie­czy), co wywo­łuje pow­sta­nie tak zwa­nej siły ciągu. Ist­nie­nie tej siły wynika z III zasady dyna­miki New­tona. Prawo to mówi, że każdej sile towa­rzy­szy siła reak­cji o tej samej war­to­ści i kie­runku, lecz prze­ciw­nym zwro­cie.

Więk­szość uży­wa­nych dzi­siaj sil­ni­ków odrzu­to­wych działa na zasa­dzie wyrzu­ca­nia gorących gazów pow­sta­łych w wyniku spa­la­nia paliwa. Pro­dukty spa­la­nia roz­prężają się z dużą pręd­ko­ścią popy­cha­jąc sil­nik naprzód.

Na początku dwu­dzie­stego wieku nau­kowcy eks­pe­ry­men­to­wali z odrzu­to­wymi sil­ni­kami rakie­to­wymi napędza­nymi… wodą i sprężo­nym powie­trzem. Zbu­du­jemy dziś model takiego wła­śnie sil­nika rakie­to­wego.

Bla­ise Pas­cal (1623-1662) był fran­cu­skim mate­ma­ty­kiem, fizy­kiem i filo­zo­fem. Już od wcze­snej mło­do­ści prze­ja­wiał duże zain­te­re­so­wa­nie nauką, co spot­kało się ze zro­zu­mie­niem jego ojca. W swych pra­cach postu­lo­wał korzy­sta­nie z metody nau­ko­wej opisu świata. Jego doko­na­nia obej­mują zna­czący wkład w kon­struk­cję pierw­szych mecha­nicz­nych kal­ku­la­to­rów, a także sfor­mu­ło­wa­nie pod­staw mecha­niki pły­nów. Kon­ty­nu­u­jąc prace Tori­cel­lego opi­sał także dokład­nie pojęcia ciśnie­nia i próżni.

Budowa

Budowa sil­nika nie jest skom­pli­ko­wana, ponie­waż możemy wyko­rzy­stać pla­sti­kową butelkę PET po napoju, o pojem­no­ści 1,5 litra. Najt­rud­niej­szym zada­niem będzie jed­nak spręże­nie w niej wystar­cza­jącej ilo­ści powie­trza. Konieczne jest uzy­ska­nie dosyć dużego ciśnie­nia. Dla­tego musimy wyko­nać pro­ste, ale funk­cjo­nalne urządze­nie. Potrze­bu­jemy:

Budowę korka-zaworu ilu­struje sche­mat:

Ilustracja

Naj­pierw należy prze­wier­cić korek wzdłuż jego głów­nej osi. W pow­stały otwór trzeba cia­sno wci­snąć rurkę mie­dzianą. W rurkę od strony butelki musimy dokład­nie wlu­to­wać wen­tyl. Zawór rowe­rowy musi być tak umiesz­czony, by możl­iwe było tło­cze­nie powie­trza do wnętrza butelki. Od zew­nątrz należy na rurkę mie­dzianą wkleić odci­nek ela­stycz­nej rurki z two­rzywa sztucz­nego. Jej drugi koniec musimy pod­łączyć do pompki, której uży­wamy zwy­kle do pom­po­wa­nia opon samo­cho­do­wych. Całość powinna wyglądać mniej więcej tak jak na poniższym zdjęciu.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Zada­niem zaworu jest jed­no­cze­sne umożl­i­wie­nie wpom­po­wa­nia powie­trza do wew­nątrz butelki i unie­możl­i­wie­nie wydo­sta­nia się gazu na zew­nątrz.

Jeśli mamy już wszystko przy­go­to­wane to możemy napełnić butelkę wodą do 2/3 objęto­ści, a następ­nie zat­kać ją mocno wcze­śniej przy­go­to­wa­nym kor­kiem. Butelkę trzeba odw­rócić tak, by jej dno było skie­ro­wane w górę lub pod kątem. Następ­nie zaczy­namy pom­po­wać (należy uwa­żać by nie osiągać ciśnie­nia gro­żącego rozer­wa­niem butelki, ponie­waż może to być bar­dzo nie­bez­pieczne). Po osiągnięciu pew­nego ciśnie­nia gazu korek zosta­nie wypch­nięty. Roz­pręża­jące się powie­trze wypch­nie wtedy na zew­nątrz wodę ku tyłowi, co sprawi, że butelka z dużą pręd­ko­ścią poszy­buje naprzód. Zamiesz­czona niżej sekwen­cja zdjęć przed­sta­wia kolejne etapy lotu butel­ko­wej rakiety wraz z poda­nym cza­sem liczo­nym od momentu wypch­nięcia korka z butelki. Zasięg lotu wyniósł ponad 100 metrów, co wydaje się być wyni­kiem całk­iem zado­wa­la­jącym dla tak nie­skom­pli­ko­wa­nej kon­struk­cji.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Prze­bieg doświad­cze­nia można zoba­czyć też na zamiesz­czo­nym poni­żej fil­mie:

Wyja­śnie­nie

Prawo Pas­cala mówi, że jeżeli na płyn zamk­nięty w zbior­niku wywie­rane jest ciśnie­nie zew­nętrzne, to, nie uwzględ­nia­jąc ciśnie­nia hydro­sta­tycz­nego, ciśnie­nie wew­nątrz zbior­nika jest wszędzie jed­na­kowe i równe ciśnie­niu zew­nętrz­nemu. Tak więc w całej objęto­ści butelki, zarówno w obrębie wody, jak i powie­trza, ciśnie­nie jest jed­na­kowe. Sprężone powie­trze dąży do obni­że­nia swo­jego ciśnie­nia, a co za tym idzie, do powięk­sze­nia swo­jej objęto­ści. Dla­tego wypy­cha ono z butelki korek, a następ­nie znaj­du­jącą się wew­nątrz wodę. Woda posiada sto­sun­kowo dużą gęstość, co wiąże się z podobną bez­wład­no­ścią. W cza­sie wyrzu­ca­nia wody do tyłu, pow­staje więc siła ciągu o dużej war­to­ści skie­ro­wana do przodu, co pociąga za sobą ruch butelki.

Biblio­gra­fia:

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa