Rachetă de apă

Rachetă de apă cu o capacitate de 3 litri, atașată la platforma de lansare

O rachetă de apă este o rachetă care folosește forța generată de expulzarea apei de aer comprimat pentru propulsie.

Teorie

A treia lege a dinamicii formulată de Isaac Newton în 1687 este principiul fundamental care ne permite să descriem mișcarea unei rachete și afirmă că „ Pentru fiecare acțiune există o reacție egală și opusă ”. Acest principiu stabilește că într-un sistem impulsul p , adică produsul masei ori viteze , rămâne constant, adică derivatul său în timp este zero:

{\frac {dp}{dt}}=0

{\ displaystyle {\ frac {dp} {dt}} = 0}

{\ displaystyle {\ frac {dp} {dt}} = 0}

Din această lege, cu pasaje și înlocuiri matematice adecvate, derivăm ecuația Tsiolkovskij a rachetei :

v=v_{u}\ln {\frac {m_{0}}{m}}

{\ displaystyle v = v_ {u} \ ln {\ frac {m_ {0}} {m}}}

{\ displaystyle v = v_ {u} \ ln {\ frac {m_ {0}} {m}}}

unde este $v$ ${\ displaystyle v}$ $v$ este viteza instantanee, $v_{u}$ ${\ displaystyle v_ {u}}$ $v_u$ viteza de ieșire a fluidului către duză , $m_{0}$ ${\ displaystyle m_ {0}}$ $m_ {0}$ masa totală inițială e $m$ ${\ displaystyle m}$ $m$ masa instantanee.

Lansarea rachetei de apă: rețineți jetul prelungit pe care îl lasă în urmă

Racheta de apă poate fi schematizată ca un sistem în care, cu un anumit proces, are loc expulzarea unei părți din masa sa, realizând astfel o împingere înainte. Energia pentru expulzarea acestei fracțiuni de masă este asigurată de energia mecanică stocată sub formă de gaz sub presiune. Acesta este cazul rachetei de apă în care fluidul expulzat este exact apă și energia provine din aerul comprimat conținut în interiorul rezervorului.

Expansiunea aerului comprimat are loc într-un timp relativ scurt, atât de scurt (aproximativ 0,2 s) încât nu permite reechilibrarea termică, astfel încât expansiunea poate fi considerată o transformare adiabatică . Prin aplicarea acestei considerații putem obține formula care descrie forța teoretică care acționează asupra apei evacuate, care va avea aceeași intensitate ca cea care împinge racheta:

F=\pi r^{2}P

{\ displaystyle F = \ pi r ^ {2} P}

{\ displaystyle F = \ pi r ^ {2} P}

unde este $r$ ${\ displaystyle r}$ $r$ este raza duzei e $P.$ ${\ displaystyle P}$ $P.$ diferența dintre presiunea internă și cea externă.

În mișcarea sa, racheta este, de asemenea, supusă forței gravitaționale și rezistenței exercitate de aer conform legilor dinamicii fluidelor . Ecuația finală care descrie mișcarea rachetei este complexă și este rezolvată numeric prin mai multe programe de simulare disponibile pe internet.

Stabilitatea zborului rachetei este condiționată de poziția centrului de greutate și de poziția centrului de presiune aerodinamică. Primul trebuie să fie întotdeauna în fața celui de-al doilea și la o distanță care este estimată empiric ca optimă atunci când este aproximativ de două ori diametrul rachetei. Pentru distanțe mai scurte zborul poate deveni instabil.

Centrul presiunii aerodinamice reprezintă în esență punctul în care se poate crede că sunt concentrate toate forțele care încetinesc mișcarea rachetei datorită rezistenței aerului. Calculul poziției sale este foarte complex, dar datorită muncii lui James Barrowman (publicat în 1966) poate fi rezolvat folosind un sistem simplificat de ecuații. O metodă alternativă este de a găsi centrul de greutate al unui șablon de carton care are aceeași formă ca forma rachetei. Acest punct este foarte aproape de adevăratul centru al presiunii aerodinamice. Poziția centrului de presiune aerodinamică poate fi ajustată într-o oarecare măsură de poziția și dimensiunea eleronelor.

Practică

Forțe în interiorul unei rachete încărcate.

Racheta de apă este, în majoritatea cazurilor, o sticlă care acționează ca un rezervor în care pot fi introduse atât apă, cât și aer și al cărui capăt inferior este deschis, acționând ca o duză .

Odată ce apa este introdusă, aerul este pompat în interior pentru a crește presiunea. Volumul de aer se presează pe pereții rezervorului ca pe apa incompresibilă, care transmite forța în gaura duzei închise. Apoi, printr-un mecanism de eliberare, deschiderea este eliberată și apa, care este situată pe fundul rezervorului, este expulzată violent, dând astfel o împingere considerabilă în direcția opusă. Odată ce apa se scurge, ceea ce se întâmplă în câteva sutimi de secundă, volumul de aer comprimat continuă să scape, comportându-se ca gazele de eșapament ale unei rachete de combustibil.

Odată ce aerul comprimat este epuizat, racheta continuă prin inerție în mișcarea sa către cer, dar în același timp este atrasă de sol de forța gravitațională a pământului și este încetinită de forța de frecare a aerului, astfel încât odată epuizată , la apogeu , accelerația inițială dată de expulzarea apei și eliberarea de aer comprimat cade spre sol.

Constructie

Rachetă completă cu con de nas, aripioare și cameră la bord

Construcția unei rachete de apă începe cu materiale foarte frecvente și adesea reciclate, cum ar fi sticle de plastic, CD-ROM-uri , carton, panouri de plastic etc. îmbinate cu lipici pentru a obține îmbinări rezistente sau chiar bandă adezivă simplă pentru detalii mai puțin critice. Cea mai simplă rachetă poate fi făcută cu o sticlă simplă de băutură gazoasă, un filator, un sistem de eliberare și eleroane.

Coborârea rachetei este încetinită de parașută, astfel încât impactul să nu fie violent

De asemenea, este necesar să aveți o platformă de lansare, deoarece prima fază a zborului cu rachete este deosebit de instabilă. Poate fi construit cu țevi din plastic sau metal și scânduri din lemn modelate.

Cel mai simplu sistem de eliberare constă în aplicarea unui conector de eliberare rapidă de grădină pe partea inferioară a sticlei. Partea fixă a sticlei este conectorul tată care permite cuplarea cu conectorul feminin și acționează și ca duză, conectorul feminin garantează integritatea etanșă la încărcarea sub presiune și permite eliberarea rapidă la lansare. Se pot construi alte sisteme de lansare, dar practic principiul folosit este același.

Configurațiile posibile sunt diferite:

monostadiu: rachete construite cu una sau mai multe sticle asamblate corespunzător.
multietape: prin mecanisme speciale de presiune, mai multe rachete pot fi unite în serie, astfel încât un rapel principal să ia racheta în sus, care la rândul său va începe să atingă o înălțime mai mare de îndată ce rapelul și-a terminat forța.
multi-duză: aici, în schimb, avem mai multe rachete paralele unite între ele într-un singur corp. Duzele diferitelor rachete sunt eliberate simultan prin mecanisme adecvate.

Rachetele pot fi echipate cu accesorii utile:

sistem de recuperare: violența impactului cu solul poate provoca daune rachetei. Pentru a reduce viteza de impact este necesar să o frânăm, iar parașuta este cel mai eficient sistem.
aripi pentru alunecări lungi în cursele la distanță.
cameră video inserată în ogivă: fotografiile aeriene pot fi foarte sugestive. ^[1]
altimetru electronic: pentru a urmări tendința de zbor și altitudinea maximă atinsă.

Presiunea internă ar putea fi generată și de reacții chimice , dar în acest caz nu mai avem de-a face cu rachete de apă.

Având în vedere caracteristicile pe care trebuie să le aibă rezervorul, este evident că o sticlă normală de plastic pentru băuturi carbogazoase este un candidat excelent pentru construcția rachetei de apă.

Performanţă

Această imagine arată o lansare de rachetă la fiecare 0,02 sec .

Lejeritatea rachetei goale este de așa natură încât cea mai mare parte a greutății la sarcină maximă este dată de apa conținută. Astfel, aplicând ecuația rachetei Tsiolkovsky , avem o valoare foarte favorabilă în ceea ce privește raportul dintre mase. Mai mult, viteza de expulzare a apei este, de asemenea, foarte mare, deci nu este surprinzător faptul că performanța acestor mijloace poate fi atât de excelentă: o sticlă de plastic foarte banală pentru băuturile carbogazoase transformată într-o rachetă, încărcată la 1/3 din volumul cu apă și aer la o presiune de 8-9 atmosfere poate propulsa racheta peste o sută de metri înălțime, cu o viteză maximă care depășește 100 km / h. Chiar dacă sunt umflate doar cu aer comprimat, acestea pot parcurge distanțe considerabile, atât în ceea ce privește înălțimea, cât și în ceea ce privește distanța liniară de la locul de lansare până la cel de impact: singura influență a unui vânt mediu le poate împinge până la 130 m distanță, dacă atunci lansarea este înclinată, poate chiar să depășească 200 m.

Siguranță

Această „rachetă” lipsită de Ogiva și Fins, își face traiectoria periculoasă

O rachetă de apă a explodat pe platforma de lansare

O rachetă de apă este un obiect capabil să stocheze o cantitate semnificativă de energie. Această energie, sub formă de aer comprimat, poate fi eliberată accidental într-un mod violent și brusc din cauza prăbușirii rezervorului. Explozia rachetei nu este însoțită de foc sau de eliberare de substanțe chimice, dar violența ei este de așa natură încât poate provoca daune permanente auzului și poate proiecta corpuri mici (așchii, pietre etc.) la viteză mare. Menținerea unei distanțe considerabile de rachetă sub presiune este cea mai mică măsură de precauție care trebuie luată. De asemenea, vă recomandăm să folosiți dopuri pentru urechi și scuturi sau ochelari pentru a proteja fața.

Viteza pe care o are racheta în zbor este foarte mare. Deși are o greutate redusă, este capabil să creeze răni și / sau daune dacă lovește persoane sau obiecte. Faza de cădere este mai lentă decât faza de urcare, dar este suficient de rapidă pentru a fi la fel de periculoasă.

Construcția rachetei este un alt moment de risc: trebuie acordată atenție instrumentelor ascuțite (închideți întotdeauna lamele) și chiar lipiciile rapide, cum ar fi cianoacrilatele, pot crea probleme grave dacă sunt utilizate în mod necorespunzător.

Alegerea materialelor este importantă pentru a reduce riscul de accidente: utilizați numai sticle pentru băuturi carbogazoase care au simbolul PET în interiorul unui hexagon (PET pur) și nu în interiorul unui rotund (PET reciclat) și asigurați-vă că nu sunt deteriorate (pentru exemplu o zgârietură profundă este un potențial punct de rupere). Utilizarea pieselor metalice agravează pericolul în caz de explozie, de aceea nu sunt recomandate.

Înainte de utilizare, este o bună practică să testați racheta umplând-o complet cu apă și crescând încet presiunea. Apa, ca toate lichidele, este practic incompresibilă, deci doar o mică porțiune de aer este comprimată. Rezultă că energia potențială stocată este redusă și, de fapt, cedarea rezervorului este mai puțin violentă. Cu toate acestea, este încă recomandabil să se utilizeze aceleași precauții care trebuie luate pentru rezervorul încărcat cu aer comprimat (distanță și protecție personală). Presiunea de încărcare în timpul utilizării rachetei trebuie să fie mai mică decât presiunea maximă atinsă în timpul încercării.

Competiții și recorduri

Se desfășoară competiții anuale în care racheta trebuie să parcurgă cea mai mare distanță orizontală, stabilind caracteristicile rachetei.

O altă provocare interesantă este de a atinge înălțimi din ce în ce mai mari. Mulți entuziaști, în grupuri mici sau indivizi, se angajează în această cursă și organizații specifice reglementează rezultatele. Înălțimi mari se obțin prin încărcarea rachetei cu presiuni foarte mari. Sticlele normale pentru băuturi carbogazoase pot rezista la presiuni de puțin peste 10 atmosfere, dar prin acoperirea rezervorului cu materiale speciale, cum ar fi dinema , fibra de carbon și rășini , pot fi utilizate presiuni mult mai mari care permit acestor rachete speciale să se ridice la câteva sute de metri.

US Water Rockets a devenit prima echipă din întreaga lume care a atins și a depășit înălțimea de 2000 de picioare. Actualul record mondial aparține rachetei Ascension III, construită de Universitatea Cape Town , care la 26.08.2015 a atins înălțimea de 2723 picioare (830 m), stabilind noul record mondial.

Puteți găsi o listă actualizată a tuturor categoriilor de rachete pe wra2.org ^[2] .

Notă

^ On Board Camera in the ogive , pe youtube.com , 20 septembrie 2010. Adus pe 20 septembrie 2010 .
^ [1]

Bibliografie

D. Kagan, L. Buchholtz, L. Klein, Rachete de apă cu sticlă de sodă, Profesorul de fizică 33, 150-157 (1995)
CJ Gommes, O analiză mai aprofundată a rachetelor de apă: adiabate umede, fluxuri tranzitorii și forțe inerțiale într-o sticlă de sodă , American Journal of Physics 78, 236 (2010).

Alte proiecte

Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre Water Rocket

linkuri externe

Rachete de apă - site italian privind construcția de rachete de apă
( EN ) Water Rocket Simulator , la cjh.polyplex.org .
( EN ) SUA Water Rockets , pe uswaterrockets.com .
( RO ) Air Command Water Rachets , la home.people.net.au . Adus la 22 februarie 2008 (arhivat din original la 28 februarie 2008) .
( RO ) Site editat de U. Hornstein , pe waterrocket.uh-lab.de .
(EN) Universitatea din Leeds , pe ast.leeds.ac.uk. Adus la 22 februarie 2008 (arhivat din original la 7 iulie 2008) .
( EN ) WRA2 - Asociație care reglementează recordul mondial de altitudine al rachetelor de apă , pe wra2.org .

Portal de modelare : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de modelare

[1] On Board Camera in the ogive , pe youtube.com , 20 septembrie 2010. Adus pe 20 septembrie 2010 .

[2] [1]

[1]

[2]