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气球火箭,发射!

来源:环球科学


你会不会觉得奇怪,航天飞机究竟是怎么进入外层空间的?显然需要很大的能量,才能将这么重的物体(发射时总重约为2000公吨),在短短几分钟内由静止状态加速到时速超过2万7000公里,冲向太空。

在真正的太空飞行中,火箭科学家设计了特殊燃料,以便提供充足的能量,将沉重的航天飞机推离地球表面。你也可以运用相同的原理(但不需使用危险的火箭燃料),推动气球火箭横越房间。

 

重要概念

能量

推进与推力

压力

 

背景说明

撇开复杂的化学方程式不谈,火箭发射的原理其实相当简单,就是产生足够的力推动物体前进。这种方法能发挥作用的部份原因,是燃烧燃料产生的力可集中在同一方向。如果能控制力的作用方向,就能产生推力。航天飞机升空时,推力集中往下,反向推动航天飞机朝上方飞去。

在这个实验中,我们将以空气取代火箭燃料,但原理同样是朝某一方向作用的力可推动物体朝反方向移动。我们吹气球时迫使空气进入气球,使气球内的气压高于气球外。只要一有机会,空气分子就会往压力较低的环境移动,这也就是充饱气的气球开口如果没有绑紧,空气会立刻喷出的原因。

万一气球爆破,气球内的空气朝四面八方逸出,力就会完全分散,不会有某个方向的力特别强。但如果让空气只通过一个小孔喷出,推力就足以让轻飘飘的气球朝反方向移动。

 

实验材料

·气球(最好是细长形,但圆形也可以)

·长三公尺以上的线

·塑料吸管

·胶带

·两把椅子或两个距离约三公尺的稳固门把(中间必须没有障碍)

·其他形状和大小的气球(非必要)

·其他可当做引导线的细长物品(例如钓鱼线、丝带或细绳,非必要)

·秒表或可显示秒数的时钟(非必要)

 

准备工作

1. 将线的一端绑在椅子、门把等稳固的物体上。

2. 将线穿过塑料吸管。

3. 将线拉紧之后,另一端绑在距离三公尺以上的另一把椅子或门把上。两端高度必须相等,没有高低落差,同时把线的周围清空。

 

实验开始

1. 给气球充气(这个步骤就等于为火箭引擎装填燃料),再用手指捏住吹气口,不让空气漏出(但不要绑住吹气口)。

2. 捏住气球开口,同时用胶带将气球固定在塑料吸管下方。

3. 将充饱的气球和吸管一起拉到线的一端,让充气口朝向这一端,气球前方朝向整条线。

4. 猜猜看,当你放手时,会发生什么状况?

5. 放开气球,接着放开吹气口。

6. 你放开气球时,发生了什么状况?

7. 气球朝哪个方向移动?移动了多远?

8. 再试一次,但这次只充一半的气。你认为气球移动的速度和距离会有什么变化?

9. 你还有什么方法可以让气球移动得更快或更慢,或是改变它移动的距离?

10.再试试看:用其他大小和形状的气球,它们的表现如何?

11.再试试看:用其他细长物品当做引导线,例如丝带、细绳或钓鱼线等,气球火箭的移动速度或距离有没有改变?

 

观察与结果

你的气球火箭移动了多远?

即使气球里充填的不是火箭燃料,它仍然能像航天飞机一样发射出去。事实上,由于气球非常轻,因此只需要空气就能提供足够的推力。

当然,如果你将气球充气后再放开吹气口,但不让它沿着线移动,它会到处乱飞,也就是朝许多个方向快速移动,但任一方向移动的距离都不远。让气球沿着线移动,可使气球内空气提供的力集中在单一方向,尽可能增加气球朝同一方向移动的距离。

如果有其他大小或形状的气球(也可以试着改变充入的空气量),哪个气球移动得最快或最远?你还可以架起两条平行的线,来场气球比赛!

还有哪些移动方式运用到推力?你看过气垫船吗?气垫船的船尾有个很大的风扇,单靠空气就能让气垫船前进。虽然风扇的运转动力来源是燃料,但风扇和气球火箭一样产生的也是空气推力。某些动物也是运用推进原理来行动,举例来说,乌贼、章鱼和水母都能将水储存在极富弹性的身体中,并让水通过小孔喷出,推动牠们在水中行进,甚至可以离开水面。人类也研究过这类自然推进方式,并从中取得设计交通工具和科技的灵感。科学家也能运用这个简单的原理,再结合化学反应的相关知识,产生更强大的推力,就像火箭那样。

 

清理工作

如果打算重复使用气球,请拆下黏在气球上的吸管,但要小心胶带黏过的地方比较容易破。将线拆下,以后还可以用。 

 

本文来自:环球科学
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