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实验:水火箭箭体制作

[日期:2011-12-14 15:13:52] [字体:特大 ]

  水火箭原理】 
  火箭为什麽可以飞行呢?这就像如果我们把充气的气球突然放掉,那麽气球会一面喷出裡面的气体,一面飞走。这看起来好像是某种力量在对气球作用,事实上这个力量并不是来自外界的推力或拉力,而是由气球本身所喷出的气体的反作用力,而产生的力量。 
  再举一个例子:当你拿着枪在射击时,当子弹飞出的那一瞬间,枪本身也会向后产生了所谓的后座力,而这就是子弹发射时产生的反作用力所造成的。其实更明显的是大砲,在砲弹射出时,整门大砲会有很明显的后座力产生,而子弹及砲弹就是藉由这股反作用力发射出去的,而火箭正可比喻为砲弹,只不过没有砲管罢了。
不论是前述的气球或是子弹,都存在着一种能够移动的力量,这种靠反作用的力量就是「推力」。火箭也和充气的气球一样,并非藉助外来的力量,而是靠火箭本身排出一股热气流,这些气体以高速喷出,所产生的反作用力,推动它向反方向前进。

  【水火箭制作过程】
  ◎ 材料的准备: 
  1. 600cc或1500cc的保特瓶两个。(单瓶加长型) 
  2. 头锥可用泡棉板、硬纸板、硅胶、这裡是  用橡胶成型製品。 
    3. EVA泡棉板 200mm*300mm*3mm一张。 
     4. 尾翼材料可利用泡棉板、硬纸板、塑胶板、烧坏的光碟片製作。(左图600cc的水火箭的尾翼就是用光碟片製作,类似鱼鳍翼) 
     5. 请参考製作图面资料(
http://www.188design.com/gt/up/doc/201011838657173.jpg)。

    ◎ 工具的准备: 
     a. 30cm钢尺: 量取裁切泡棉、纸板用。 
     b. 钢锯片: 头锥使用橡胶成型锥,须锯掉瓶口。 
     c. 电工胶布: 固定头锥、瓶子、尾翼用。 
     d. 管束: 利用管束对齐切割线,切瓶一次完成。 
     e. 伞形扩孔刀: 多瓶连接时用,可将小孔扩大。 
     f. 一字起子: 用于调整管束的鬆紧。 
     g. 尖嘴钳: 成型固定用。 
     h. 原子笔: 画线注记用。 
     i. 美工刀: 裁切泡棉、纸板用、瓶子。 
     j. 10cm长剪刀: 裁剪泡棉、纸板、瓶子。 
     k. 热融胶枪: 黏贴固定尾翼或组件用。 
     l. 美工切割垫: 裁剪泡棉、纸板、瓶子的衬底。

     ◎ 瓶口锯掉: (开始动手了) 
     1.其实保特瓶的瓶首就是最流线又光滑的,配上橡胶头锥,形成一体流畅的火箭头了。 
     2.使用钢锯在瓶口的凸缘下方锯断。 
     3.使用美工刀或挫刀将断面上的毛边修除。 
     4.如果使用纸板或泡棉製作头锥就不须锯除。 
     5.参加竞赛用的最好利用自身瓶首製作最佳。 
     6.利用EVA泡棉製作头锥,请参考下列网页: 
     泡棉头锥&尾翼製作程序

     ◎ 定位切割线: 
     1. 一般的保特瓶切割是先用厚纸板围绕瓶子对齐,用奇异笔画上切割线,然后以美工刀切开,不整齐处,再用剪刀修    剪。总共须要三道手续才能完成处理。 
     2. 在此介绍站长的切割手法,在机械五金行,购买不鏽钢管束,尺寸可套入及锁紧瓶子,锁紧时管束会自行水平定位且不会滑动,以美工刀靠管束边切割即可,一次解决。 
     3.  600cc 瓶子使用 2½"的管束1250~1500cc 瓶子使用 3½"的管束2000cc 瓶子使4½"的管束。

     ◎ 切割保特瓶: 
     1. 锁紧时管束会自行水平定位且不会滑动,以美工刀靠管束边切割即可,一次解决。 
     2. 美工刀切割时,不可一刀直接切,先轻划几下再用力切开。 
     3. 由于管束圈住定形,在切割时,不会因为用刀造成瓶子变形,而不易切割或不平整。 
     4. 切下的瓶底,再与瓶盖,以螺丝结合就  可以用做水火箭的摆放基座。

     ◎ 套上橡胶头锥: 
     1. 其实保特瓶的瓶首就是最流线又光滑的,配上橡胶头锥,形成一体流畅的火箭头了,在内部使用强力胶或电工胶带固定头锥。 
     2. 如果使用纸板製作的尖锥,往往摔个几次就挂了,不过成本较低,但要DIY好几次 ! 
     3 . 橡胶头锥可以利用"壳模"複製,做好"壳模",在内侧涂硅胶,成形后成锥形,在锥形内部填入硅胶再与瓶子结合成头锥。 
     4. 利用EVA泡棉製作头锥,请参考网页:
    泡棉头锥&尾翼製作程序 

     ◎ 组合上下瓶: 
     1. 将切除瓶底及装上头锥的上瓶与充气用的下瓶套合。 
     2. 单一个瓶子的长度不够,所以必须利用另一瓶来加长。 
     3. 利用瓶子的的瓶首做水火箭头,最适合不过的,套上橡胶头锥,形成流畅的整流罩。

     ◎ 两瓶结合: 
     1. 将上瓶套上充气瓶的底部,仔细调整两瓶必须成一直线,飞行时才不会转弯。 
     2. 由于只有一隻充气瓶,两瓶套合处,只要使用电工胶带缠绕贴紧即可。 
     3. 如果两隻瓶子都要充气,就必须使用中空螺丝来连结,可以参考下列网页资料:中空螺丝之多瓶连接介绍

     ◎ 製作置放台: 
     1. 在前面的上瓶,被切除的瓶底,可以拿来做水火箭的置放台。 
     2. 因为水火箭的尾翼,如果在平放时,容易受到重压而导致变形脱落。 
     3. 将瓶盖及瓶底鑽一个3~5mm的孔,用螺丝把瓶盖和瓶底锁在一起,如果会鬆动,在两者之间加上一片3mm的橡胶板或点上热融胶迅速结合,赶快泡水冷却,避免瓶底收缩变形

     ◎ 座台与水火箭组合: 
     1. 将瓶底座台与水火箭的充气瓶结合。 
     2. 平常不玩水火箭时,把喷嘴拆下,将箭体与座台结合,当做摆饰或作品也很不错喔。 
     3. 左图的水火箭尾翼是用CD片,切成四等份组立的,CD片也可以做砲弹飞车的轮子,薄薄的轮子是轮子也是飞车的导向翼

     ◎ 裁切尾翼圆套: 
     1. 无论翼片是用泡棉、纸板、塑胶片CD片,最好是用泡棉做圆套,再以热融胶结合翼片。 
     2. 用泡棉做圆套的好处是可以拆换不同的尾翼,以同一箭体可测试不同的尾翼效果。 
     3. 不同的瓶子的直径有些差异,圆套的长度依箭体的总长的1/5左右,概约5~8cm。

     ◎ 尾翼圆套周长量取: 
     1. 不同容量的瓶子的直径不同,以公式计算周长会有一些不适用,因为泡棉有3mm厚度,而且圆套又紧套瓶身,所以最好以泡棉围绕瓶身量取。 
     2. 泡棉围绕瓶身量取时,圆套的周长约少2mm左右,如此在圆套结合后,再套入瓶身会略紧一些,尾翼在飞行或墬落时才不易走位。 
     3. 尾翼的製作,请参考下列图面 : 
      泡棉尾翼尺寸及工具材料

     ◎ 尾翼的四等分位置: 
     1. 将量取裁剪好的泡棉圆套板,平均划出四片尾翼的位置。 
     2. 在圆套的接合处两侧,划分出1/8个等份。
     3. 以奥雷特600cc的瓶子为例,周长约220mm,四个等份= 220 / 4 = 55mm,八个等份= 55 / 2 = 27.5mm。
     4. 划出四片尾翼的位置,务必要垂直,黏合尾翼时才会与瓶身平行,飞行路径不会转弯或箭体旋转。

     ◎ 设计尾翼样式: 
     1. 尾翼的式样可以自由发挥,材质可选泡棉、硬纸板、塑胶板、巴沙木、CD片。 
     2. 基本尾翼的尺寸,概约50*50mm即可。 
     3. 形状以最长常用的梯形翼、圆形翼、后掠翼、鱼鳍翼,如果翼展较长,所使用的材质,最好要硬一些,飞行时尾翼才不会摆动,否则飞行方向会不稳定。

     ◎ 裁切尾翼: 
     1. 按照自己的喜好来设计尾翼,裁切时美工刀要与材料保持90度垂直,断面才会平整。 
     2. 除了接合的那一边,其他各边可以使用挫刀、砂纸、砂轮机,将外缘打磨圆滑,这样可以减少风阻。

     ◎ 四尾翼结合: 
     1. 将四片尾翼,使用热熔胶,在接合面先点上一些,再迅速放在圆套板的等分线上黏住。 
     2. 黏尾翼时,翼片必须与圆套板成90度角垂直,用胶量先少一些,固定好了再补强一点。 
     3. 接合胶的选择 :  
     硬纸板、塑胶板、巴沙木、CD片,一定要使用热熔胶接合。若使用泡棉则可选用热熔胶或瞬间剂。 
     4. 使用热熔胶必须注意高温,不可以以手碰触熔融的胶,避免烫伤手。使用瞬间剂时,手一定要保持距离,才不致瞬间被黏住,工作场所保持通风,避免眼睛被燻流泪。

     ◎ 四尾翼的两侧补强: 
     1. 尾翼放在圆套板的等分线上之后,再使用热熔胶,将翼片的两侧点胶补强。 
     2. 也可以使用中性硅胶,在翼片的两侧涂胶补圆弧加强,但必须等上几个小时硅胶才会硬化。

     ◎ 尾翼圆套结合: 
     1. 尾翼圆套的两侧结合,比较麻烦且不易定位。 
     2. 为求两侧能稳定地点胶,在接合处先以胶带 将两侧黏住定位,再使用热熔胶点在接合缝内。 
     3. 尾翼的製作图面,请参考 : 
泡棉尾翼尺寸及工具材料 

     ◎ 对齐接合缝: 
     1. 在接合缝的背后内侧有胶带辅助定位,接合缝要对齐,圆套的直径才会一致。 
     2. 此处所使用的胶带,最好用含有纤维的较佳,因为一般的PVC胶带,容易受热而破裂,导致接合缝没有对齐。 
     3. 含有纤维的胶带,在书局裡有卖,也就是封装书本的装订位置,所使用的胶带

     ◎ 接合圆套: 
     1. 在接合缝上,使用热熔胶接合起来。 
     2. 由于热熔胶要冷却硬化,须要10~20秒左右,所以最好分段,一段一段地接合
     起来。 
     3. 使用热熔胶必须注意高温,不可以以手碰触熔融的胶,避免烫伤手。使用瞬间剂时,手一定要保持距离,才不致瞬间被黏住,工作场所保持通风,避免眼睛被燻流泪。

     ◎ 套上尾翼: 
     1. 黏好泡棉圆套之后,检查尾翼片是否垂直平坦,四片翼是否平均相距90度。 
     2. 套入上瓶子时,尾翼的圆套下方与瓶子的圆弧转平位置对齐(标籤的边缘),如此整个箭体呈现 "梭子" 的流线外型,风阻可以达到最小,相对可以增加飞行距离。 
     3. 由于製作圆套时,圆套的周长有减少约2mm左右,因此圆套在套入瓶子时,有一点点紧的,可以使圆套与瓶子紧密贴合

     ◎ 尾翼定位: 
     1. 尾翼套入上瓶子时,尾翼的圆套下方与瓶子的圆弧转平位置对齐(标籤的边缘)。 
     2. 虽然圆套与瓶子紧紧的,但是在飞行墬落在较硬的地面时,由于向下的冲击力,会使尾翼圆套向前移位。 
     3. 利用胶带将圆套紧紧缠绕在瓶子上,胶带在圆套的断面上,形成一圆弧R角,也可以减少垂直断面所造成的风阻。 
     4. 由于一般尾翼的下方位置是在瓶口附近,圆套与圆锥瓶首之间,形成一处圆凹槽,气流经过而形成向内迴旋,因而产生负压,使得前进动力受到拖拉损失。

     注意事项 
     1. 使用热熔胶必须注意高温,不可以以手碰触熔融的胶,避免烫伤手,如果碰到了,请迅速泡入冷水即可冷却熔融的胶。 
     2.  使用瞬间剂时,手一定要保持距离,才不致瞬间被黏住 (这是由于瞬间胶是吸湿性的,手又略微潮湿,因此一碰到就黏住了),还有工作场所要保持通风,避免眼睛受到刺激,而被燻得流眼泪。 
     3.  在切割保特瓶时,请循序渐进地,一刀一刀地划,再加一点力切下,可以避免切坏或切不直,而造成毛边,也可防止用刀不慎 的伤害。

    附:【泡棉頭錐&尾翼製作程序】

  泡棉板:
     1、EVA泡棉就是常见的托鞋及泡棉拼毯的材料 
     2、目前市面上可购得厚度3mm的,色彩种类甚多(俗称珍珠泡棉板,但与珍珠板不同),极适合美工劳作的应用。 
     3、泡棉板可製作车、船、房屋、盒子,质软易于裁切,对于喜欢DIY的朋友是不错的材料。 

     量取周长 :
     1、量瓶身直径以公式计算圆筒外径:周长 L=2*3.1416*(直径/2) 
     2、以泡棉板直接包在瓶身上,实际找出长度 
     3、以奥雷特600cc为例,周长约 221mm。  

     四尾翼位置:
     1、计算出 4 个等分,两侧为半个等分,周长221/4=55.25mm/等分,27.6mm/半个等分。 
     2、使用三角尺,画出垂直的直线,一定要垂直,黏尾翼才会与瓶身平行,飞行才会直线稳定。  

     梯形尾翼四片: 
     1、尾翼尺寸依图:55*70*35製出四片翼。 
     2、最窄的那边(35)两个转角修剪圆。  

     粘合尾翼片 
     1、将四片尾翼,黏在四条等分线上。 
     2、黏贴时,保持尾翼的垂直及直线上。  

     圆筒接合与定位 
     1、将泡棉板捲起,将两侧端面用胶黏合。 
     2、剪一条12mm宽,约202mm长的泡棉条,黏在圆筒内侧下方,当尾翼筒套入保特瓶的定位作用。  

     半圆锥与圆筒 
     1、如同步骤一,计算或量出周长,剪裁出一片,供圆筒用的泡棉板。 
     2、剪一片半圆泡棉板,其半径与保特瓶的直径相同(圆锥呈等腰三角形/60度内角)。  
     3、剪裁半圆泡棉的圆弧时,剪刀口倾斜约45度,断面呈45度,作成圆锥时,圆锥口才能平贴缝小。  

     圆筒接合与圆锥接合 
     1、半圆泡棉的中心点,必须磨薄,捲合时,在尖端才能黏合 
     2、或者,在中心处剪掉6mm的圆孔,在捲合时,尖端就不会无法密合,但会有一个圆孔,那就用热熔胶涂上封住,顶端呈圆形。 
     3、黏合圆锥不易定位,可在内侧先用PVC胶带黏贴定位,再点胶固定。  

     自制头锥与尾翼完成 
     1、将圆锥与圆筒结合,先找两对角先黏合,再陆续同样在其他对角黏合。 
     2、剪一条12mm宽,约202mm长的泡棉条,黏在圆筒内侧靠近圆锥底位置,当头锥筒套入保特瓶的定位作用 
     3、圆锥体内部,可以利用保丽龙或PE泡棉填入,可减少坠地撞击损坏。 

  注意事项 
     1、裁切位置儘量保持直线及刀口垂直,在黏合时,不会因为缝隙太大而不容易接合。  
     2、使用瞬间胶,可先用微湿毛巾,在接合处擦拭一下,使胶的硬化速度更快,(因为瞬间胶是吸湿性的胶)。  
     3、使用热熔胶也可以,不过如果水火箭放在车内晒太阳,它就会因高温软化导致整个解体。  
     4、初期结合先在几个位置先点少量的胶先行定位,确定后再点入较多的胶。 

     【水火箭发射步骤】 
     1﹑加水→依据动量守恆(牛顿第三运动定律),可增加反作用力。
    因为保特瓶容纳的空气有限,在喷气嘴打开的瞬间,空气一下就冲出来了,以致水火箭所获得的动量变化小(或反作用力小),飞行的速度及距离就小。而加入水后,压缩空气将水向外推,当水流高速向外冲出时,水火箭所获得的动量变化就很大(反作用力增加),也就能推动水火箭向上升空。 
     2﹑打气→增加压力舱内的气压,以便快速将水排出。 
     单位面积中所受空气的作用力称为压力。P=F/A  ; P:压力 F:作用力  A:面积 
     故压力愈大,所产生的作用力也愈大,反作用力也愈大。 
     3﹑发射→作用力与反作用力(牛顿第三运动定律) 
     牛顿第三运动定律:如果以一力推(拉)一物体时,该物体会以相等大小的力推(拉)施力者。 
     1.灌得饱饱儿的气球,裡头充满了空气。 
     2.把吹气口鬆开,空气就会从吹气口咻咻咻的跑出来。 
     3.往后面喷出来的空气力量,会把气球往前面推进。火箭的冲力,也是利用这种反作用力产生的。
水火箭升空的原理和把气球放气的道理一样。 
     4﹑飞行→重力、弹道飞行、空气阻力 
     重力:使物体落回地面的力。两物体间重力大小取决于它们之间的距离,也取决于物体的质量。距离愈大,拉在一起的力量就愈小。物体的质量愈大,重力就愈大。 
     弹道飞行:物体以一起始力向一仰角方向作用,物体受到地心引力的影响,呈一抛物线方式飞行。此抛物线即为弹道。 
     空气阻力:物体移动穿过空气时,空气分子撞在物体上产生摩擦力,此种摩擦力称之为空气阻力。 
     水火箭升空后,靠本身的惯性力量继续飞行,可是受到地心引力及空气阻力的影响,使得速度愈来愈慢,最后呈抛物线掉落地面。 
     5﹑尾翼的作用 
     尾翼的作用在于维持水火箭前进的方向。 

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