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150815_水火箭车

2015-12-25  EasyBot
从零讲:机器-人-机构设计之水火箭车

上图是笔者与国小学生分享绿色能源水动力车的应用,绿色能源水动力有许多不同面貌,例如为人熟知的水力发电即是运用水动能转成机械能再转成电能的发电设施,而本次博文要介绍的水火箭车则是运用了水的另一种面貌来产生动力,这种动力乃广泛用于水火箭,又称为水推进火箭或是气压式喷水火箭,然而水火箭的射程远、爆发力强大,且需要室外较大场地才适合举行。基于安全考虑,本次博文要介绍的水火箭车将水火箭改良为爆发力稍弱的平面式运动,仍然保有水火箭喷水动力的趣味与挑战性,如此设计给一般家庭都能实施的活动,增添亲子互动之余也能将科学原理寓教于乐。
从零讲:机器-人-机构设计之水火箭车喷水动力运作主要发动的科学原理示意图

喷水动力运作过程是许许多多科学原理环环相扣的总体呈现结果,其中促进运载工具运动也就是发动的主要科学原理,乃利用打气进入到装填了部分水的气压瓶内,使瓶内气压增大,当气压瓶灌气至瓶内形成高压,剎那间开启释压夹,由于内压大于外部大气压力,使得高压空气会往低压处流动,促成了瓶内压力瞬间向外释放,又由于水挡在前方,瓶内的水受到此压力推挤作用,随即从气压瓶末端喷嘴以高速排出瓶外,形成一股强大力量,故当水受到压力作用而喷出时,就会承受气压瓶与运载工具的一股作用力,而此同时水便会产生另一股力量大小等同于作用力且反方向的反作用力来推动气压瓶与运载工具快速向前冲,这个现象就是作用力和反作用力定律,也就是著名的牛顿第三运动定律,详细情况,有如右上图所示。


从零讲:机器-人-机构设计之水火箭车
水火箭车与分离式发射台金刚合体

上图是水火箭车与分离式发射台的金刚合体,其中乃沿用了在本系列博文【思想起】里的分离设计概念,把一整体的水火箭车拆分成在上图右边的分离式发射台,以及在上图左边的水火箭车。透过分离式发射台上的白色释压夹,把水火箭车的喷嘴夹紧,就成了上图呈现水火箭车与分离式发射台的金刚合体模样。

从零讲:机器-人-机构设计之水火箭车
水火箭车

上图是本次博文介绍的水火箭车,其中将气压瓶安置在简洁的机构动力车平台上,了组装容之外,还能兼具小型轻量化与优质效能的综合表现。至于下图则是分离式发射台,上面有易于操控的释压夹,并将打气筒(内有单向阀)与管线等整合成单一发射平台。发动流程十分细腻,操作要领依序有:开瓶→装水→拴紧→夹好→平置→打气→释放→发动了,此时水火箭车像一只脱缰之马往前奔驰。如要再一次操作喷水发动机,那就回到前述操作流程起头程序,再依序执行一遍即可。

从零讲:机器-人-机构设计之水火箭车
分离式发射台

以上的实作过程虽然是以水火箭车为主要的解说对象,然而如果气压瓶不要装水,也可以先装上分离式发射台,再用打气筒打气,最后押下释压夹,则这台被发射出去的车,就是一辆空汽车。不过空汽车的动力远远不如水火箭车,不相信的话,可以自行做实验加以验证一番,例如同样是个别打气二十下,而装了四分之一水量的水火箭车,会比空汽车多跑四倍多的距离,这差距那么大原因又是为什么呢?今若反过来逆向思考,假设机件设备不能动,光是让水急速喷出,您能想象这又会是什么装置呢?现在放大想象空间思考一下,如果在没有空气的星球上进行灌水并充气十足的喷水动力车实验,请问喷水动力车能不能成功地向前冲?这些都是值得思考的问题。
如果还要广泛探讨其相关科学原理或者是想要参加科展的话,那么,喷水动力运作所牵涉的其他科学课题尚有下列几项要点:
1.动量守恒定律:如果气压瓶只单纯充饱空气,在喷嘴打开的瞬间,空气会瞬间冲出来了,但由于空气很轻,其所产生的动量就很小,由于动量守恒关系,其所能推送的动量自然也很小,也就是喷水动力载具会跑不远。然而当加水注入气压瓶并施加相同的气压后,因为水不会被压缩,压缩空气将水向外推,当水流高速向外冲出时,会增大动量,便能将喷水动力载具推动的更远。
2.气压:压力愈大,单位面积所产生的作用力也愈大,能加大产生的动力。
3.载重:不管是作用力也好或者是反作力,这些都是力的物理概念,也就是牛顿第二定律,所以当加大水量的同时也加大了载重,因此以相同的力去推动更大质量时,加速度就会变得更小,是故,只有当瓶内的气压与水量适当时,才能冲的更远。
4.喷嘴:设计适当口径大小的喷嘴,以及喷射角度,都会影响水喷出去的力道。
5.空气阻力与其他摩擦力:这些因素都会消耗动力而减速。
6.重心平衡:运载工具只有在重心平衡情况下,才有机会平稳地向前冲。
7.其他:基本上,喷水动力运作是属于流体力学课题,如要进一步深入探讨,诚如数学王子-高斯(Carl Friedrich Gauss,1777~1855,德国)所说的经典『数学是物理的王子』,而物理是科学的国王,也见证了爱因斯坦从12岁开始自修微积分的奠基,是故,必须要学好数学才有机会踏入科学殿堂一探究竟。

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