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浅谈水火箭的重心
水火箭又称气压式喷水火箭,是以水作媒介,将高压气体注入其中,将喷嘴打开时,向后高速喷水,水火箭在反作用力下向前飞出,深受学生喜爱。它不仅能培养学生对物理的兴趣,而且能促使学生动手动脑,从实践中理解物理知识。通过实践,大家都知道当重心靠前时,水火箭才能更好地飞行,却不明白为什么要让重心靠前。
水火箭听起来很神秘,最基本的水火箭做起来却比较简单―如图1所示,把碳酸饮料瓶颠倒过来,瓶子的底部粘上头锥(即整流罩),瓶口位置附近粘贴尾翼,就做成了水火箭,图2为水火箭作品。
如果直接把这样的水火箭拿去发射,很可能是飞不好的,因为缺少一个重要步骤―加配重,就是要在水火箭的头部增加适当的配重,调整其重心位置。只有重心位置合适的水火箭,才能稳定飞行,如图3、图4所示。
图3 空气动力学稳定的水火箭,空气阻力使得飞行轨迹不对称。
图4 空气动力学不稳定的水火箭,起飞后在空中翻滚,然后掉落。
众所周知,在发射水火箭的时候是要加水的。那么调节水火箭的重心时,是在加水的状态下调节,还是在不加水的状态下调节?
有位美国人用高速摄像机研究水火箭的发射过程,如图5所示。
逐帧分析他拍摄的图像,两帧之间的时间间隔为1/15秒()。从图5的第2、3两幅图可以知道,经过1/15秒,水火箭前进了1个瓶子的距离(约40厘米);从第3、4两幅图可知,再经过1/15秒,水火箭又前进了3个瓶子的距离(约120厘米),根据牛顿第二定律的运动学公式可以计算出,,水火箭的飞行速度达18米/秒(约65km/h)。,水就全部喷出,水火箭加速完毕,然后在惯性作用下继续飞行。由此可知,水火箭的大部分飞行时间中,是没有水的,因此要在不加水的状态下调节水火箭的重心位置。
通常可以通过支点法或悬挂法找到水火箭的重心位置,如图3所示,用绳子系住水火箭,当水火箭能够在水平位置静止的时候,悬挂点就通过水火箭的重心位置。
图6甲中,重心靠近水火箭头部;图6乙中,重心靠近水火箭尾部。那么,哪种情况下的水火箭能够稳定飞行呢?
让我们从空气动力学的角度进行分析,由空气动力学知识可以知道,物体在空气中运动时,会产生空气阻力。通常空气阻力与速度平方成正比,即f=kv2。从美国人的研究中可以知道,水火箭发射后,速度从零迅速增加到约18m/s,速度相当惊人,在这样的速度下,空气阻力的作用非常明显,空气阻力主要影响水火箭的飞行稳定性,水火箭在飞行过程中将以重心为支点转动。
首先分析重心靠近水火箭头部的情况。
图7甲表示水火箭在竖直上飞,空气阻力均匀作用在火箭上面,这是非常理想的情况。实际上,往往会因为刮风,或箭身不够圆滑,或倾斜发射,导致空气阻力不均匀,出现图7乙中空气阻力作用在箭身一侧的情形。当箭身粗细均匀时,这些空气阻力可以看作集中作用在箭身中部的一点上,这点叫做压心(空气阻