水ロケット

目的:

ロケットのパフォーマンスを改善するには、、ニュートンの運動力学第二法則をどのように応用すればよいかデモンストレーションする。

論題:

この活動で、学生は市販水ロケットを発射試験して、気圧と水の量を変えながら、もっとも適当な飛行をする状態を見つけ出す。

説明:

編集者:

材料と用具:

水ロケットとポンプ2組
(玩具屋で2、3ドルで入手可能・・・・トイザらスなど)
小さな木杭、小さな旗、またはマーカーとなるような材料。
巻尺。

手順:

1.水ロケット、給水用具、巻尺を草の多い運動場のような屋外の広いところへ持っていく。
2.メーカーの取り扱い説明に従って、それぞれのロケットを、ポンプに取り付ける。初めの一つは10回ポンピングする。もう一つは20回ポンピングする。2人の学生は、誰も立っていない方向にロケットを位置する。それらのロケットは、正確に同じ高さで、45度の仰角に向けること。3秒前から秒読みし、ロケットを発射する。それぞれのロケットが着地した位置にマークをつけ距離測定する。
3.一つのロケットに、説明書より半分の水を入れる。もうひとつのロケットには、まったく水を入れないこと。それぞれのロケットをポンプに取り付ける。両方のポンプを20回ポンピングする。前回と同じように、正確に角度を決めて、ロケットを発射する。それぞれのロケットの着地点をマークし測定する。

注意:

水ロケットを発射するとき、水しぶきが噴射口より飛び散って、学生にかかるかもしれない。学生が発射の側方に立って発射すると、水しぶきは学生がいなくてさびしいかもしれない?
4.2つのロケットを、それぞれ水を多くしたり少なくしたり、ポンピング回数を多くしたり少なくしたり、あるいは同じ水の量でポンピング回数を変えたりして、違う条件のものを2つ同時に発射することで、いろいろなバリエーションの実験を行ってみる。
一組の発射では、水の量かポンピング回数のどちらかをいっしょにすること。同時に二つの要素を変えないことが大切である。

討議:

 水ロケットは、その内部の水の量や圧力を変化させることで、ニュートンの運動力学第二法則をデモンストレーションすることができる。
 初めの実験では、機体内に大きな質量がなかったので、あまり遠くに飛ばなかった。もう一つのロケットの中はポンプでより大きな圧力になっていたので、より高く(大きい加速度)でより遠くに飛行した。
 一方は空気だけ、片方は水を加えたロケットの場合は、質量の影響を示している。空気がロケットから放出される前に、初めに水が放出される。水は空気より大きな質量を持ち、より推力に貢献している。水の入ったロケットは、空気だけのロケットに比べて、非常に良く飛んだ。
 水の量と空気の量を変化させた組合せの実験は、飛行距離を測定して、質量の排出速度や質量の量による推力の変化を調べることができた。質量とその排出速度が一番大きいとき、推力は最大になった。

学習要点と質問:

 水ロケットのいくつかの異なったモデルでの実験は、応用が可能である。異なったモデルをそれぞれ同時に飛行して比較する。2つは同じ飛行をしたか? 違った場合、それはなぜか?(この質問の答えのために、全てのロケットを詳しくチェックしておくこと。異なるモデルでは、ノズルやその他いろいろ異なる点がある。)測定値とロケットが飛行した距離をグラフにプロットする。必ずポンピング回数を決めて記録すること。
 なぜ、水ロケットは尾翼の先端が少し曲がっているか?
 取扱説明書の推薦より多く水をいれた場合、遠くに飛ぶかどうか? それはなぜか?

警告:

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