STEM-工程挑战 · 2020年3月2日 0

火箭科学:发送有效载荷可以飞多高?

 

难度 <! – 6 – >
所需时间 平均(6-10天)
先决条件
材料可用性 一应俱全
费用 平均值($ 50 – $ 100)
安全 建议成人监督。请参阅程序开头的安全说明。

 

摘要

火箭绝对是一项工程挑战。这些惊人的抗重力机器将测试材料,人员甚至动物都提升到太空。想不想自己建一个?在这个科学项目中,您将把一个水瓶变成一个带有两个隔间的空气动力学瓶火箭,一个用于燃料,一个用于有效载荷。然后,您将测试将质量垂直提升到空中时的性能。准备好,设定,翱翔!

目的

 

创建一个空气动力学瓶火箭,并用它来研究火箭提升有效载荷时达到的最大高度的变化。

 

积分

 

  • Sabine De Brabandere,PhD,Science Buddies
  • Aquapod是Great American Projects,Inc。的注册商标。
  • AltiTrak是Estes Cox Corp。的注册商标。
  •  

 

 

引用本页

此处提供了一般引用信息。请务必检查所使用方法的格式,包括大小写,并根据需要更新引文。

MLA风格

Sabine,De Brabandere。”火箭科学:你有多高可以发送有效载荷?” 科学伙伴,2018年12月1日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p098/physics/rocket-how-high-can-you-send-a-payload。2019年7月6日访问。

 

APA风格

De Brabandere,S。(2018年12月1日)。火箭科学:你有多高可以发送有效载荷?从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p098/physics/rocket-how-high-can-you-send-a-payload

最后编辑日期:2018-12-01

简介

 

火箭是非常有趣的机器。他们需要相当大的力量来击败重力并将自己和他们携带的东西抬升到太空中。事实上,你可以自己创建一个模型,如图1所示,从一个空塑料瓶中使用与真实火箭相同的基本原理将其自身升到空中。继续阅读以发现这些基本原理并制作自己的瓶火箭。

aquapod bottle rocket
图1。像这样的水瓶火箭使用与真实火箭相同的物理原理将其自身抬升到空中。

 

火箭队使用反应引擎创建前锋推力.牛顿第三运动定律解释了这些引擎的工作原理。该法律规定,对于每一个行动,都会有相同而相反的反应。在火箭的情况下,动作是发动机向后高速喷射质量。作为反应,火箭(发动机)被推进。这种机制不依赖于大气层,在太空中运行良好。

火箭队利用牛顿的第三运动定律来创造前锋。
图2. 火箭队利用牛顿第三运动定律创造前向推力;它们以高速向后弹射质量(动作)以实现向前推动(反应)。

 

在航空航天领域(这是涉及航空和太空飞行的技术和工业的分支),火箭发动机喷射燃料燃烧产生的废气并加速到非常高的速度。你的瓶火箭不会使用燃烧;相反,它会喷射水和空气以产生向前的推力。在升空前,瓶子火箭将部分充满水并部分充满空气。一个特殊的瓶式火箭发射器将允许您为您的瓶火箭增加空气.空气压力 – 空气从瓶子内部向外挤压的程度 – 在瓶子中积聚。图3示出了瓶内的空气压力如何推动瓶壁以及瓶内的液体。

当您向水瓶中添加空气时,内部会产生压力。
图3。当您向水瓶中添加空气时,内部会产生压力。结果,塑料壁和瓶内的液体感觉更大。

 

请注意,您将以磅/平方英寸(psi)来测量火箭推进室中的压力,因为这些是自行车泵上的测量单位。但是,psi不是公制单位,在科学中使用公制系统。要使用公制系统,请将压力记录为帕斯卡(Pa),也称为牛顿每平方米(N/m 2 )。在这个科学项目中使用的30 psi对应于206,850 Pa或207 kPa(因为在1 kPa中有1,000 Pa)。您可以使用在线计算器将磅/平方英寸转换为帕斯卡。

当您发射火箭时,通过向瓶子中添加空气所产生的压力将水和空气高速推出,从而推动火箭向上,如图4所示。

从火箭弹射出的水(动作)推动火箭前进(反应)根据牛顿第三运动定律。
图4. 根据牛顿的第三运动定律,从瓶子火箭喷出的水(动作)推动火箭前进(反应)。

 

在航空航天领域,排气完全由使用前在火箭内携带的推进剂形成。燃料储存并用于火箭的推进室。形成瓶子火箭体的瓶子将作为推进室。除燃料外,火箭还将其他物品运往太空。这称为有效载荷。它存储在火箭的有效载荷舱中。增加一个机头使火箭更具空气动力学,这意味着减少火箭在飞行过程中所经受的空气阻力。在这个科学项目中,您将添加一个可用作有效载荷舱的机头。在飞行过程中,鳍片可用于稳定火箭。图5显示了不同的部分。

瓶子火箭不同部分的命名法。
图5. 瓶子火箭的不同部分的命名法。

 

在这个科学项目中,您将测量添加有效载荷(通过其质量量化)如何影响火箭达到的最大高度。为此,您需要在最基本的瓶子火箭上添加一个有效载荷舱,这是一个倒置的水瓶。此外,您将通过使其更符合空气动力学来改进瓶子火箭。更多的空气动力学火箭具有更直的飞行路径,从而可以更可靠地测量达到的最大高度.程序提供了有关如何创建自己的火箭的方便提示和提示,并提供了有效负载影响最大高度的科学测试程序。准备用你自己的火箭爆炸吗?

术语和概念

 

    • 火箭

 

    • 反应引擎

 

    • 推力

 

    • 牛顿的第三运动定律
    • 气压
    • 磅/平方英寸(psi)
    • Pascal(Pa)
    • 推进室

 

    • 有效载荷

 

    • Payload bay

 

  • 气动

问题

 

    • 火箭用什么机制将自己抬离地面并产生向前运动?
    • 如果您发射两个相同的水瓶火箭,一个装有有效载荷舱,另一个带有空载荷舱,以相同的方式,您认为哪一个会更高?你能解释一下原因吗?
    • 您认为最基本的水瓶火箭的空气动力学部分是什么,这意味着只是一个倒置的瓶子?

 

 

参考书目

 

 

有关如何测量火箭高度的更多信息,请参阅:

 

 

有关转换压力单位的帮助,请参阅:

 

 

材料和设备

 

 

    • 可从 Amazon.com
    • 汽水瓶(2升)
        • 选择一瓶碳酸饮料或冰茶,因为其他瓶子可能不够坚固。

       

 

    • 海拔跟踪器可从 Amazon.com
    • 水(4加仑)
    • (可选)清空1加仑的瓶子,如果您需要将水运送到开放空间,这将有所帮助。
    • 量杯(1 L)
        • 杯子或烧杯,体积标记为毫升(mL),如此量杯可从 Amazon.com 是首选,但不是必需的。

       

 

    • 漏斗(填充2升瓶装)
    • 永久性记号笔
    • 带压力表的自行车泵,如此泵,可从 Amazon.com
    • (可选)卷尺
    • 凡士林
    • 打开户外空间,如公园或运动场,在其中发射火箭
        • 尺寸:长至少40米(130英尺),宽40米(

        • 地面覆盖物:软地面,因此用于固定发射器的U钉可以推入地面。

       

 

    • 制作瓶火箭的各种材料:
        • 塑料汽水瓶(1-2升)(2);选择碳酸饮料或冰茶瓶,因为其他瓶子可能由更脆弱的塑料制成,而且不够坚固,不能承受瓶火箭产生的压力。
        • 风管,牛皮纸和/或遮蔽胶带(至少1.88英寸宽)
        • 砂纸,粗糙边缘,确保胶带更好
        • 潜在鳍的纸板
        • 铅笔
        • 剪刀
        • 工艺刀
        • 带罩和风扇的炉灶,或通风良好的炉灶
        • 用不粘涂层涂抹

       

 

    • (可选)装饰你的火箭的材料:
        • 永久性标记
        • 喷漆(特别适用于塑料)
        • 保护工作面的报纸

       

        • 贴纸

       

        • 装饰带

       

 

    • 沙子(200克至1千克)
    • 规模,范围0-500克;快速称重MS-500-BLK数字口袋秤可从 Amazon.com 效果很好。
    • 小碗或容器,用作”测量船” ,用于收集沙子并测量其重量。
    • 塑料果汁瓶(500毫升);选择一个用硬塑料制成的瓶子。

 

    • 辅助

 

    • 成人监督
    • 实验室笔记本

 

 

声明:Science Buddies参与联盟计划家庭科学工具 Amazon.com Carolina Biological ,和 Jameco Electronics 。联盟计划的收益有助于支持Science Buddies,501(c)(3)公益慈善机构,为每个人免费提供资源。我们的首要任务是学生学习。如果您对我们网站上的建议您为科学项目所做的购买有任何意见(正面或负面),请告诉我们。写信给我们 scibuddy@sciencebuddies.org

 

 

实验程序

警告:以下是您在开始此科学项目之前应阅读的一些一般安全准则。

 

 

  • 这个科学项目建议通过加热塑料瓶的边缘很短的时间来融化它。熔化的塑料瓶很容易,但应小心接近。要求成年人监督这一步骤,使用炉罩和风扇,或通风良好的房间,不要将瓶子放在炉子附近无人看管。
  • 选择观察点,以便在观察发射时不要仰望太阳。望着太阳会伤害你的眼睛。
  • 始终将发射瓶中的压力保持在50 psi以下.
  • 在发射之前,务必使用U peg将瓶子火箭发射器固定在地面上。
  • 从不在压力下倾斜于瓶子火箭。
  • 每次发射前,在旁边发射器周围保持4.5米(约15英尺)的安全区域。
  • 给发射弦一个温和,快速拖拽;强大的猛烈撞击可能会导致发射器松动并以不安全的方向发射。
  • 重要:如果发射失败,请让成人按照瓶子火箭发射器手册中描述的启动失败程序帮助您取出瓶子。

创建基本瓶火箭

您将首先选择一个瓶子作为推进室,这是您的瓶子火箭的最基本部分。下一节将帮助您将这种基本的火箭发射变成一个带有效载荷舱的更具空气动力学的火箭。

 

 

  1. 清空汽水瓶(1-2 L)并用水冲洗。取下并丢弃外包装和盖子。
  2. 确保您的瓶子适合发射器:
      1. 将空瓶子的开口放在发射器上。将瓶子向下推,使其在薄黑环,如图6所示。
      2. 尽可能将瓶子拉回来。启动释放闩锁应将其固定到位,如图7所示。您可能必须将连接发射线的金属夹移动到释放手柄之外。

     

需要将瓶子火箭推到&lt; i&gt;上&lt;/i&gt;发射器的薄黑环。
图6。瓶子火箭需要在发射器的黑色环上上推,如右图所示。在左边的图像中,瓶子没有被推得足够远。


 

发射释放手柄需要接触瓶子火箭才能成功发射。
图7. 启动释放手柄需要触摸瓶火箭以创建成功的启动,如右图所示。

 

  1. 如果您的瓶子适合发射器,它可以作为您的瓶子火箭的推进室。如果不合适,请用不同的瓶子重复步骤1和2。
  2. 使用永久性标记做一个标记,以指示火箭发射的初始水 – 空气比率。
      1. 在这个科学项目中,您将保持瓶子火箭推进室中水与空气的初始比率不变。三分之一的体积将充满水,三分之二的体积将充满空气。为方便启动,请在瓶子上标明此级别,如下一步所述。

     

      1. 计算推进室容积的三分之一。 
        1. 提示:2升体积的三分之一约为0.7升(700毫升);体积为1L的三分之一约为0.35L(350mL).
      2. 测量步骤4.b中计算的水量。在你的量杯中。
          1. 注意:如果您的量杯上没有标明公制体积,则对于2升瓶子测量3 C或对1升瓶子测量1.5 C。

         

     

    1. 确保适合后,将瓶子从发射器中取出。用漏斗小心地将水倒入瓶中.注意:如果您意外溢出,请清空瓶子并测量烧杯并重复步骤4.c.和4.d。
    2. 将瓶子放在平坦的表面上,等待水停止移动,然后用永久性标记跟踪整个瓶子周围的水线,如图8所示。一旦跟踪了线,就将水清空.
将瓶子火箭填充到其体积的三分之一后,水线跟踪永久性标记。
图8. 将瓶子灌到其体积的三分之一后,用永久性标记追踪水线。

 

使用有效载荷湾创建一个空气动力学瓶火箭

在本节中,您将使用工程设计流程来改造您的基本水瓶火箭进入带有效载荷舱的空气动力火箭。

您最终产品的要求如下:

 

 

  1. 火箭的推进室由上一部分中创建的基本瓶火箭组成。
  2. 火箭应包括有效载荷舱,可用沙子填充和清空。这是必要的,因为您将使用不同的有效载荷测试您的火箭。在这个科学项目中,鼻子将保持有效载荷。
  3. 有效载荷舱应至少容纳200克沙子。
  4. 火箭应该以一条漂亮的直线发射,直到它到达最高点并向下翻滚。这被称为稳定飞行轨道

您可能希望在进行背景研究和头脑风暴解决方案时阅读以下提示,然后选择最佳解决方案。

 

 

    • 空气动力学火箭通常具有更稳定的飞行轨迹。
    • 添加鳍使飞行中的火箭稳定,帮助它直接走到最高点。
    • 第二瓶的顶部可以作为基本水瓶火箭的鼻子。增加一个鼻子使你的火箭更符合空气动力学。在这个科学项目中,这个鼻子还应该为有效载荷留出空间。
    • 飞行后,火箭可以硬着陆。火箭需要坚固才能吸收冲击力。或者,它们可以包括一个降落伞机构,它会在火箭下降时打开并确保软着陆。
    • 当你制造你的火箭时,考虑到你的火箭推进室会在升空前用空气装载火箭时稍微膨胀。

 

 

图9显示了Science Buddies团队创建水瓶火箭所涉及的主要步骤。

这是一个拼贴画,展示了制造带有效载荷舱的空气动力水瓶火箭的步骤。
图9。作为一个例子,这是一个拼贴画,说明了制造带有效载荷舱的空气动力水瓶火箭的步骤。第一个瓶子用作推进室,鼻子(第二个瓶子的顶部)用胶带粘在上面。机头作为有效载荷舱,增加了火箭的空气动力学性能。

 

现在您已准备好构建。这些提示可能会帮助您构建一个坚固的原型:

 

 

  • 加热切开的塑料水瓶将使边缘变圆并使瓶口略小。这对于在基本的水瓶火箭上创造一个漂亮的鼻子非常方便。熔化塑料很容易,但需要小心接近。让成年人监督您的步骤,并使用炉罩和风扇,或通风良好的房间。要将瓶子的边缘弄圆,请将瓶子的切割面放在加热的不粘锅上,如图10所示。不要让瓶子和炉子无人看管!塑料只需要与中火接触很短的时间(约一分钟或更短).
加热切开的水瓶的边缘会使塑料收缩,使圆形变圆边缘,使瓶子略小。
图10. 加热切开水瓶的边缘会使塑料收缩,使边缘变圆并使瓶子稍微变小。

 

    • 确保将不同部件牢固地连接在一起。如果你有这方面的困难,可以尝试使用宽胶带,并在使用胶带之前使用砂纸轻轻粘贴胶带所需的区域。
    • 如果您决定在火箭上添加鳍片,请确保在将鳍片连接到瓶子之前,火箭仍然适合火箭发射器。
    • 如果你决定装饰你的瓶火箭,记得保持一个”窗口” 没有任何油漆或装饰,这样你仍然可以看到在创建的步骤4中创建的水位线基本的瓶子火箭部分。

 

 

科学伙伴队创造的两枚火箭如图11所示最终产品的要求

水瓶火箭涂有喷漆,彩色沙子,装饰带和贴纸。
图11. 这些火箭上涂有喷漆,彩色沙子,装饰带和贴纸。请注意右图中,可以看到在绘画前用胶带保护瓶子所创建的窗口。垂直窗口(绿色并部分覆盖航天飞机贴纸)可让您查看推进室中的水位。顶部窗口(绿色和瓶子的右上角)提供了有效负载托架中存储的有效负载视图。

 

在测试前检查原型

现在,您需要在测试前评估是否满足所有四项最终产品的要求

 

 

    1. 检查火箭的推进室是否仍然是一个可装满水的瓶子,仍然可以放在你的发射器上。
    2. 验证火箭的有效载荷舱是否可以用沙子填充和清空。称量完全填满火箭有效载荷舱的沙子数量,并确认这是否至少为200克。
        1. 用沙子填满火箭的有效载荷舱.注意:这部分可能很脏,所以一定要在一个可以清除任何杂散沙子的区域工作。在垃圾桶上工作并使用报纸保护您的工作表面。
        2. 将您的秤缩小,以便在您用于测量的容器(您的测量船)在秤上时显示0 g。提示 的:如果您使用的秤没有将其归零的功能,则需要首先称量测量船,以便在称量沙子时从总重量中减去该质量。
        3. 将所有沙子从有效载荷舱转移到测量船上.提示:如果不是所有的沙子都适合你的测量船,测量一半的沙子,而不是测量下半部分,并将结果加起来。
        4. 从您的比例中读取质量.提示:如果你船上的沙子质量超过了你的水垢的容量,先测量一半的沙子,然后测量下半部分并将结果加起来。
        5. 记录实验室笔记本中的最大负载质量。

       

 

  1. 你需要进行一次试运行,看看你的火箭是否以一条漂亮的直线射出,直到达到最高点并再次向下翻滚。继续执行以下部分以执行此测试,看看您是否对您的火箭感到满意。

如果您的火箭没有通过一个或几个最终产品的四个要求,或者您对目前的火箭感到不满意,请解决任何问题并进一步完善您的火箭设计重新设计阶段,直到您对结果感到满意为止。

测试运行

你们都准备出门,寻找一个好位置,并准备发射!记得随身携带一加仑水如果您的位置无法获得水.注意:本节中的数字是用基本的火箭发射的。您将使用带有效载荷舱的空气动力学瓶火箭进行测试。

 

 

    1. 寻找一个发射区域,该区域应该是一个40米(130英尺)长,40米宽的空间。
    2. 搜索一个好的发布地点:
        1. 发射器应放在平坦区域.
        2. 地面应柔软,以便固定发射器的U钉可以推入地面。

       

 

  1. 使用U peg将发射器固定在地面上,如发射器附带的手册中所示。图12显示了一个安全良好的发射器。
瓶子火箭发射器通过U peg越过发射器并被推到位进入地面。
图12. 发射器通过U peg固定在发射器上并推入地面。

 

  1. 用干净的水将瓶子火箭填充到指定的水位。
  2. 将你的火箭放在发射器上。你需要快速运动,以便只洒一点水。如果这太难了,你还可以:
      1. 松开U钉,以便拿起发射器,
      2. 将其倒置在火箭上,如图13所示,
      3. 使用U peg将发射器与瓶子固定在地面上。

     

将瓶子火箭放在地上并将发射器倒置在瓶子里喷口可以让你在没有洒水的情况下安装火箭。
图13. 将瓶子火箭放在地上并将发射器倒置在瓶口中,这样您就可以在不洒水的情况下安装火箭。

 

    1. 将你的发射器放回地面并固定好,然后布置你的发射线。
    2. 将自行车泵安装到发射器上。
    3. 通过泵送空气到瓶子火箭,直到您的压力表显示30 psi(207 kPa)。
    4. 清除旁观者的区域,然后远离火箭发射器,一直到发射线的末端。

 

    1. 通过快速但温和地拉动发射线来发射火箭。

 

  1. WOW!你看到你的火箭飞了吗?如果没有,请转到常见问题解答部分,并在解决问题后立即执行新的测试运行。
  2. 请注意,真正的火箭发射会附带发射协议,包括一长串安全检查。在实验室笔记本中记下发布的启动协议:
      1. 包括协议中警告部分中列出的所有安全提示。
      2. 一旦你开始测量火箭到达的最大高度,你需要一个帮手。在创建协议时,请包含手势信号以通知彼此准备启动,启动失败等等。

     

学习如何使用海拔高度查找器

在这个科学项目中,你需要测量火箭到达的最大高度。使用高度探测器,您将测量水平线和火箭飞行轨道最高点之间的角度,如图14所示。图15显示该角度越大,火箭越高。请注意,为使其有效,观察者(持有高度探测器的人)与发射器保持固定距离非常重要。

使用高度探测器测量瓶子火箭达到的高度
图14. 使用高度探测器测量火箭高度的人.(左)火箭几乎没有离开地面.(中)火箭升到中等高度.(右)火箭非常高。注意随着火箭越来越高,测得的角度越大。红色箭头之间的角度表示测量角度,高度探测器和水平面之间的角度。


 

海拔探测器将显示更高点的更大测量角度。
图15。更高的点导致更大的测量角度。请注意,观察者在图中用橙色圆点表示。

 

将观察者保持在与发射器固定的距离允许您将使用高度探测器测量的角度(以度数表示)转换为高度(以m表示)。这样做的数学高于这个科学项目的难度级别,如果您想了解它,可以参考参考书目。我们还提供了表1来帮助您进行转换。该表列出了距离物体32米处的观察者的高度,角度为0到70。

 

 

 

 

角度(°)    高度(m) 角度(°)    高度(m) 角度(°)    高度(m) 角度(°)    高度(m)
0 0 20 11.6 40 26.8 60 55.4
2 1.1 22 12.9 42 28.8 62 60.1
4 2.2 24 14.2 44 30.8 64 65.5
6 3.4 26 15.6 46 33.1 66 71.8
8 4.5 28 17.0 48 35.5 68 79.0
10 5.6 30 18.5 50 38.1 70 87.8
12 6.8 32 20.0 52 40.9    
14 8.0 34 21.6 54 44.0    
16 9.2 36 23.2 56 47.4    
18 10.4 38 25.0 58 51.2    

表1。此表允许您将距离物体32 m处的观察者的测量角度(以度数表示)转换为高度(以m表示)。

 

请注意,由于观察者放置在发射器附近而不是高度探测器箱上的建议,因此对应于角度的高度(例如20°显示高度为11.6 m)远小于观察者指示的高度。高度探测器箱(20°显示高度为55米)。

您可能想知道为什么高度探测器只允许在0到70°之间进行测量。高于70°的读数将导致测量不准确。如果您的火箭确实越高,请增加观察者与瓶子火箭发射器之间的距离所有您的测量值。请注意,如果这样做,您将无法再使用表1将角度转换为高度。相反,您可以使用图形方法,如变体中所述,或使用您的计算器,如中列出的文档中所述参考书目,或者请一位精通数学的人为您创建转换表。

现在您已了解高度探测器背后的原理,让我们看看它是否会产生合理的测量结果。

 

 

    1. 阅读海拔探测器包装盒上有关如何使用海拔探测器的说明。您将遵循这些说明,除非您将自己放置在离发射器 32 m (而不是152 m)的距离。这个距离为这个科学项目达到的高度提供了很好的精确度。
    2. 从相对较高的物体(例如多层房屋或高大的树木)站立32米或105英尺(这是发射管长度的七倍).提示:因为你的瓶式火箭发射器的发射线长15英尺,你可以测量出105英尺或32米的距离,背靠背七次。
    3. 使用高度查找器获取此对象高度的度量。
        1. 将高度探测器指向物体的最高点。
        2. 按下你的高度探测器的扳机,等到摆臂停止前,然后松开扳机,冻结挥杆。
        3. 从高度探测器读取摆动指示的角度。该角度是对象高度的度量。
        4. 使用表1将角度转换为以米为单位表示的高度。

       

 

  1. 在实验室笔记本中记下您测量的角度和高度。
  2. 站在相同的观察点上,测量该同一物体的部分的高度(例如,第一层的高度或树的树干)。请注意,您(作为观察者)与对象之间的距离未发生变化。
  3. 使用高度查找器重复步骤3以获得此高度的度量.
  4. 在实验室笔记本中记下您测量的角度和高度。
  5. 确保下部物体的测量高度(在步骤6中测量)小于上部物体的测量角度(在步骤3中测量)。
  6. 如果您的测量结果不正确:
      1. 确保您作为观察者与您测量的对象之间的距离对于两次测量都是相同的。请记住,这个距离应该是32米。如果不是,请重新尝试将自己置于距离物体正确的距离。
      2. 确保您使用表1将角度转换为米,这与高度查找器框中列出的表格有很大不同。

     

      1. 重试,确保在释放扳机之前等待摆臂悬挂,然后冻结挥杆。
      2. 请阅读高度查找器随附的说明,尤其是有关如何使用扳机以及如何阅读角度的说明,请务必按照说明进行操作。
      3. 如果上述所有情况都失败,请让成年人帮助您学习如何使用海拔探测器。

     

准备测量

现在你有一个正常运转的火箭,你可以准备科学测试,目的是找出如何增加有效载荷(按其质量量化)对火箭达到的最大高度的影响。

 

 

  1. 将下表复制到实验室笔记本中;你会用它来记录你的测量结果。

 

 

  测量角度(°)
有效负载(最大百分比) 有效负载
(g)
试验1 试验2 试验3 平均 平均高度
(m)
观察
0              
25              
50              
75              
100              

表2。用于记录结果的数据表。根据火箭设计的最大有效载荷填写第二列。

 

  1. 确定要使用的载荷质量。
    1. 您的目标是以最大有效载荷容量的25%,50%,75%和100%进行测试。
    2. 查找您在创建带有效载荷托架的空气动力学瓶火箭部分中确定的最大有效载荷.注意:如果你的最大值高于1公斤,则使用1公斤,因为你的瓶子火箭可能无法提升更多质量。
    3. 根据最大有效负载在第二列中填写”Payload(g)” 的值。例如,如果您的最大有效载荷为650 g,则有效载荷容量的25%为0.25×650 g = 162.5 g。如果您的最大值超过1公斤(1,000克),您将使用25%(250克); 50%(500克); 75%(750克)和100%(1,000克)1千克.
  2. 创建一个等于最大有效载荷25%的测量铲,以便轻松测量最大有效载荷的25%,50%,75%和100%。
    1. 取500毫升空透明果汁瓶。清洁瓶子并让其干燥。取下包装纸.
    2. 使用您的秤测量沙子的数量,构成最大有效载荷的25%(如果您的最大值超过1千克,则为250克)。有关如何使用您的秤的说明,请参阅创建带有效载荷湾的空气动力瓶火箭部分。
    3. 使用干漏斗将刚刚称量的沙子转移到空的果汁瓶中。
    4. 将瓶子放在平坦的表面上,轻轻摇动瓶子,使沙子平整。
    5. 使用永久性标记在瓶子上绘制沙子水平.
    6. 从瓶子上取下沙子。
    7. 在刚刚画完的线上切下瓶子然后扔掉顶部。小心不要割伤自己。
    8. 如上所述,在图10 中所示,通过在中等热量下在不粘锅上加热它们一小段时间,将切割瓶的边缘弄圆。此步骤将帮助您在使用测量铲时避免割伤自己。熔化的塑料瓶很容易,但应小心接近。让成年人监督你这一步,并使用引擎盖和风扇,或通风良好的房间,永远不要让瓶子和炉子无人看管.
    9. 您刚刚创建了一个测量铲,可以帮助您测量有效载荷舱中的沙子数量,以便进行连续测量。如表2所示,第一次测量时不使用砂,第二次测量使用1勺,第三次测量使用2次,第四次测量使用3次,最后一次测量使用5次.

进行测量

准备好了解增加质量(有效载荷)将如何影响火箭的高度?

注意:我们建议您一次性完成所有测量,因此所有测量都是在相同的天气条件下进行的。如果您希望您需要休息一下,可以一次性测量所有四个有效负载质量的测量结果,并在以后对其他试验进行测量。

注意:如果您的位置无法获取水,请随身携带约4加仑的水。检查材料列表,了解您需要携带的其他对象。

 

 

  1. 转到发射位置并设置您的火箭发射器。阅读测试运行部分,了解有关如何找到合适位置和执行启动的所有详细信息。
  2. 要找到观察者的位置,您需要找到与风成直角的方向。如果您几乎感觉不到风,可以跳过此步骤。
      1. 将自己置于发射位置,转动身体,使风吹在脸上.
      2. 伸展双臂,使它们形成一条直线,如图16所示。
      3. 双臂指向与风成直角的方向。您将在步骤3中使用这些说明。

     

当风刮到你的脸上时,伸出的手臂会指向方向与风成直角。
图16. 当风刮到脸上时,伸出的手臂会指向与风成直角的方向。

 

    1. 找到与此发布地点相关联的观察点:测量离开32米,从发射位置开始,朝向与风成直角的方向(选择伸展时人的手臂指向的两个方向之一),在步骤2中找到。如果可以几乎感觉不到风,四面八方都很好。
        1. 提示:由于你的瓶式火箭发射器的发射线长15英尺,背靠背七次,你可以测量105英尺或32米的距离.
        2. 用重物来标记这个地方,比如背包或装满水的瓶子。这是将使用高度探测器的观察员的地点。
        3. 当他或她跟随火箭时,确保观察者不会注视太阳。如果他或她将,拿起重物并在发射台的另一侧测量32米(在步骤2中找到的第二个方向)。
        4. 如果出于任何原因,您对观察点不满意,请选择其他发射位置并确定相关的观察点。重复此操作,直到您对发射位置和观察点感到满意为止。

       

 

    1. 告知您的助手您在测试运行部分中创建的启动协议。
    2. 您的第一次测量将是零质量的有效载荷,换句话说,是一个空的有效载荷舱.
    3. 完成启动协议。
    4. 让观察者使用高度探测器测量对应于火箭到达的最大高度的角度。见部分了解如何使用海拔高度查找器,如果您需要更新有关如何使用海拔高度仪的记忆。

 

  1. 在表中记下测量的角度,如表2
  2. 重复步骤6-8两次,共计三组测量。
  3. 在发射器的黑色环上擦一些凡士林,使其保持良好状态。
  4. 用1勺沙子或最大有效载荷的25%填充有效载荷舱。第二个干漏斗可用于将沙子放入有效载荷舱而不会溢出。
  5. 重复步骤6-10。
  6. 在您的火箭有效载荷舱中再添加一勺沙子,总共2勺(即最大有效载荷的50%)。
  7. 重复步骤6-10。
  8. 在火箭有效载荷舱中再添加一勺沙子,总共3勺,或最大有效载荷的75%。
  9. 重复步骤6-10。
  10. 在您的火箭有效载荷舱中添加最后一勺沙子,共计4勺。您的有效负载托架现在已填充您将在测试中使用的最大有效负载量。
  11. 重复步骤6-10。

分析您的数据

 

 

    1. 计算每个有效负载质量的平均角度。请注意,即使您可能已选择将每个测量转换为米,您需要计算测量的角度的平均值,并将此平均值转换为以米为单位表示的高度。
        1. 从空载荷舱的测量开始。要计算平均值,首先将测量值(以°表示的角度)相加,然后将结果除以测量次数(在这种情况下为3次,当您执行3次试验时)。
        2. 继续测量较重的有效载荷(分别为最大有效载荷的25%,50%,75%和100%)。
        3. 不要忘记在表格中记录您的计算值,如表2所示。

       

 

    1. 将您的平均测量角度转换为以米为单位表示的高度:
        1. 如果观察者距离物体32米处,请使用表1 查找与平均角度相对应的高度。
        2. 请注意,如果观察者与发射器的距离不是32米,表1将不会列出正确的高度。相反,您可以使用图形方法(如变体中所述)将角度转换为高度,或者让精通数学的人为您创建转换表。
        3. 在数据表中记录以米为单位的高度。

       

 

    1. 制作平均高度数据与有效载荷质量的折线图。
        1. 将有效载荷质量放在x轴上(水平轴穿过)并将平均高度(以米为单位)放在y轴上(垂直轴上下移动)。
        2. 请记住清楚地标记轴,添加使用的单位,并为图表添加清晰的标题。

       

 

  1. 查看您的数据表,图表和观察结果,并尝试从结果中得出结论。
  2. 您可以根据在火箭发射器中添加更多有效载荷时的情况来解释您的结果吗?想想是什么产生了火箭的向上运动,这在​​简介中有所说明.提示:观看有关牛顿定律的参考书目中的视频。当你增加一个物体的质量时会发生什么,但是保持用力推动它(在这种情况下,通过驱逐水和空气(动作)产生的升力(反应) – 牛顿的第三定律)同样?

如果你喜欢这个项目,你可能会喜欢探索这些相关的职业:

航空航天工程师

人类一直渴望飞行,并通过空气和外太空飞行其他东西 – 航空航天工程师是让这些梦想成真的人。他们设计,制造和测试飞机,直升机,气球,火箭,导弹,卫星和航天器等车辆。了解更多

 

机械工程师

机械工程师是你日常生活的一部分,设计你用来吃早餐的勺子,早餐的包装,牙膏管上的翻盖,夹克上的拉链,你上学的汽车,自行车或公共汽车,你坐的椅子,你抓住的门把手和打开的铰链,以及你用来测试的圆珠笔。事实上,你在周围看到的每一个物体都经过了机械工程师的手中。因此,他们的技能需要在几乎所有类型的行业中设计数百万种不同的产品。了解更多

 

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物理学家

物理学家有一个很大的目标 – 了解整个宇宙的本质一切都在里面!为了实现这一目标,他们观察和测量地球和宇宙中的自然事件,然后利用数学发展理论来解释为什么会出现这些现象。物理学家接受挑战,解释发生在最大规模上发生的事件,这些事件可以发生在最小原子粒子水平上发生的事件。然后,他们的理论应用于人类规模项目,为人们带来新技术,如计算机,激光和聚变能。了解详情

 

 

变体形式

 

  • 研究你的火箭推进室内的压力如何影响火箭达到的最大高度,如下所述瓶装火箭爆炸!
  • 研究水瓶火箭推进室中水与空气的比例如何影响火箭达到的最大高度。例如,当瓶子为1/8水,1/4水,1/2水和3/4水时,您可以使用瓶子进行测量。在本研究中,保持推进室的压力恒定。
  • 作为科学项目的补充,您可以添加绘图以显示平均测量角度如何与火箭的最大高度相对应。有关做什么的简要说明:
      • 在图纸的下端选择一个水平线。
      • 将观察点和发射位置放在水平方向上,其单位数与观察者与实际测试中发射点之间的距离相同。例如,如果在您的测试中,您的观察者距离发射器23米处,则在您的观察者和您的绘图上的发射位置之间放置23个单位。这样,您的绘图上将有一个单位距离,代表1米。
      • 在发射位置绘制一条垂直线。您将测量此线上获得的最大高度。
      • 使用放置在观察点的量角器测量相对于水平面的平均角度(测试结果)。下面的图17显示了如何放置量角器来测量角度.
      • 从这些角度绘制线条,从观察者开始,从发射位置通过垂直线(图17中的红色,蓝色和黄色线条)。该线穿过垂直线的位置表示火箭到达的最大高度.
      • 您可以使用比例尺测量火箭在垂直方向上达到的高度(图纸上的一个单位距离等于1米)。
      • 确保命名轴,并在图形中添加图例和刻度指示。并非所有这些都显示在图17中。

     

 

显示平均测量角度与达到的高度有关的比例图。
图17. 显示平均测量角度与获得高度的关系的比例图。用量角器测量角度。请注意,此图中省略了图例和比例。

 

请注意,您可以在参考书目中找到连接距离,角度和高度的数学公式。

 

 

    • 研究在达到的最大高度时增加机翼或使火箭更符合空气动力学的效果。
    • 可以在线获得几个模拟器,预测水瓶火箭的飞行路径。这些模拟器是使用物理定律计算水瓶火箭飞行路径的计算机程序。它们中的大多数允许您更改许多参数,例如瓶子火箭的体积,推进室中的压力等。使用模拟器来研究更改一个特定参数的效果,例如为瓶子火箭增加一个鼻子或改变火箭中的水与空气量。然后用你的火箭研究改变相同参数的效果。你达到的最大高度是否得到相同的相对改善?请注意,某些模拟器会建议参数值。您可以为所有不知道的参数保留建议值.NASA提供了几个瓶式火箭模拟器。其他人可以在网上找到。