Rakieta wodna
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w miesięczniku Młody Technik (6/2014):
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:
- gumowy korek - o tak dobranej średnicy, by umożliwiał szczelne i mocne zamknięcie butelki,
- odcinek elastycznej rurki z tworzywa sztucznego,
- rurkę miedzianą lub mosiężną - o długości nieco większej niż długość użytego korka,
- wentyl - zawór od dętki rowerowej,
- klej cyjanoakrylowy - np. cyjanopan, kropelka.
Budowę korka-zaworu ilustruje schemat 1.
Tworzymy korek-zawór
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 zdjęciu poniżej (2).
Zadaniem zaworu jest jednoczesne umożliwienie wpompowania powietrza do wewnątrz butelki i uniemożliwienie wydostania się gazu na zewnątrz.
Rakieta na start!
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.
Uwaga! Zadbaj o stabilne ustawienie butelki, by kierunek jej lotu był przewidywalny i bezpieczny
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.
Wyjaśnienie procesu
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 ze sporą bezwładnością. W czasie wyrzucania wody do tyłu, powstaje więc siła ciągu o dużej wartości skierowana do przodu, co pociąga za sobą ruch butelki.
Bibliografia:
- Wróblewski A. K., Historia fizyki - od czasów najdawniejszych do współczesności, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2006,
- Davidson H., Blaise Pascal, Twayne Publishers, Boston 1983,
- Gaj J., Laboratorium fizyczne w domu, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1982.
Uzupełnienie autora
Przebieg doświadczenia można zobaczyć na zamieszczonym poniżej filmie:
Marek Ples