חקירת טילי "בקבוקי מים" המונעים ע"י לחץ אוויר

מבוא:

בחרנו לעסוק ברקטות מבוססות מים. הרקטות בהן השתמשנו מונעות על ידי לחץ אוויר רב שמשוחרר אל תוך הרקטה, כאשר שאנחנו משחררים את הרקטה, לחץ האוויר הרב גורם למים לצאת מפיית הבקבוק בחוזקה ואז נוצר כח דחף שמניע את הרקטה לאוויר.

מטרות המחקר ושאלות המחקר:

מטרת המחקר היא להבין את הפיזיקה של טילים המונעים ע"י מים ולחץ אויר.

שאלות החקר שבדקנו:

  1. מהי כמות המים האופטימלית שעבורה יהיה מרחק אנכי המקסימלי?
  2. מהו גובה אנכי מקסימלי כתלות ברדיוס פתח הבקבוק?

עקרונות פיזיקליים מרכזיים

לחץ אויר, נוסחת הגזים האידאליים, כוח גרר וכוח דחף, מתקף ותנע, משוואת ברנולי.

   

ניסויים מקדימים:

  1. הקשר בין כוח גרר למהירות
  2. הקשר בין לחץ לכוח
  3. הקשר בין לחץ לנפח

ניסוי מרכזי:

  1. כמות המים האופטימלית שעבורה יהיה מרחק אנכי המקסימלי
  2. גובה אנכי  מקסימלי  כתלות ברדיוס פתח הבקבוק

מהלך המחקר

המערכת העיקרית בה השתמשנו בפרוייקט כוללת מנגנון אשר מורכב מצינור אליו אנחנו מפמפמים אוויר אל רקטת המים בתנוחה אנכית (90מעלות) עד שאנחנו מגיעים ל-PSI (לחץ אוויר\pressure per inch) רצוי, אנחנו ערכנו את השיגורים בשימוש של 70~ PSI, אותו לחץ האוויר הרב נתן לנו תוצאות מרשימות מאוד והרקטה עפה לגובה רב כפי שציפינו ממנה. את הרקטות בנינו מבקבוקי קוקה-קולה וכנפיים מקרטון, לבקבוק הוספנו משקולת בקצה שלו (המשקולת מורכבת מכדור טניס ואבנים), הוספנו את המשקולת מכיוון שכך הרקטה תשאר מאוזנת בתהליך התעופה שלה.

במהלך המחקרנו ניסינו הרבה לבנות מערכת שבעזרת ניתן לשגר טיל ובנוסף לחשב כמה פרמטרים מהמערכת כגון: כוח השקול הפועל על טיל , הגובה המקסימלי עבור כמויות מים שונים ( יש לציין ניסינו לבדוק גם כן בטרקר לא עבד) ולכן לאחר בניית כמה מערכות וכל פעם היה חסר לנו משהו , לצערנו לא הצלחנו לבנות מערכת שבעזרתה נחקור טילי מים , לאחר משבר הקורונה החלטנו לעשות ניתוח מתמטי לשיגור טיל ובעזרת הניתוח נבנה סימולציה לחקרית טילי מים בעזרת האקסל.

בניסוי המרכזי הראשון בדקנו איך כמות המים ההתחלתית בבקבוק משפיעה על הגובה אליו יגיע הטיל בלחץ קבוע . בניסוי השני ניסינו לבדוק איך רדיוס פתח הבקבוק משפיעה על הגובה אליו יגיע הטיל בלחץ קבוע וכמות מים התחלתית קבועה שהיא 430 מ"ל.

ההשערה שלנו הייתה שתהייה כמות מים אופטימלית (עבור לחץ מסוים) שעבורה יפעל על הטיל המתקף הגבוהה ביותר וכך הטיל יגיע הכי גבוה. היות ולחץ של שתי אטמוספרות הוא בדיוק כפול מלחץ האווירה חיצוני, לכן אנחנו משערים שכמות המים האופטימלית היא חצי מנפח הבקבוק כלומר יחס של 1:2

ממצאים:

על סמך התוצאות שקיבלנו מהסימולטור  קיבלנו שהגובה המקסימלי  שהטיל מגיע אילו הוא 2.2169מטר וזה מתקיים כאשר כמות המים ההתחלתית בבקבוק הינה  430 מ "ל. 

בניסוי השני קיבלנו את התוצאות הבאת:

על סמך הגרף שקיבלנו אנו רואים שככל ממגדילים את רדיוס הפתח הבקבוק, הגובה המקסימלי שהטיל מגיע אילו גדל ולכן הרדיוס המקסימלים הינו 0.04 מטר (על סמך הבקבוק שחקרנו –בקבוק קולה ) הגובה המקסימלי שאילו יגיע הטיל הינו 257.9847 מטר . ועל סמך הנוסחה באה

דיון ומסקנות:

בהשערתנו הנחנו שרק כוח הדחף פועל על הטיל ולכן קיים כוח הכובד שהינו מתנגד לכוח הדחף מסיבה זו קיבלנו ערך קטן ממה שהשערנו .הנחות אינן  מדיוק בניתוח המתמטי שהזכרנו לעיל .

אנו רואים מסימולטור שבנינו ברדיוסים קטנים מ 0.005 מטר הטיל אינו זז  או נופל ולדעתנו הינו מהסיבה שכוח הדחף לא מספיק גדול מכוח הכובד כדי  לגרום לטיל לנוע כלפי מעלה .

ביבליוגרפיה:

  1. הערך "לחץ" שבאתר ויקיפדיה. 
  2.  הערך גז אידאלי בויקיפדיה 

  3. ערך כוח גרר בויקיפדיה 

  4. הערך "תנע" שבאתר ויקיפדיה
  5. מאמר W.D.Dickson and M.H.Dickson – The affect of advance ratio on the aerodynamics of wings 2004
ינואר 2024
יום ראשון יום שני יום שלישי יום רביעי יום חמישי יום שישי שבת
31 בדצמבר 2023

חופשת חורף

חופשת חורף

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יב

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יב
1 בינואר 2024

חופשת חורף

חופשת חורף
2 בינואר 2024

חופשת חורף

חופשת חורף
3 בינואר 2024

חופשת חורף

חופשת חורף
4 בינואר 2024

חופשת חורף

חופשת חורף

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יא

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יא
5 בינואר 2024

חופשת חורף

חופשת חורף
6 בינואר 2024

חופשת חורף

חופשת חורף
7 בינואר 2024

חופשת חורף

חופשת חורף

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יב

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יב
8 בינואר 2024

חופשת חורף

חופשת חורף

מסלול הכשרת מנחי חקר פיזיקה

מסלול הכשרת מנחי חקר פיזיקה
9 בינואר 2024 10 בינואר 2024

מסלול הכשרת מורי/ות מדעים חט"ב

מסלול הכשרת מורי/ות מדעים חט"ב
11 בינואר 2024

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יא

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יא
12 בינואר 2024 13 בינואר 2024
14 בינואר 2024

קבוצת פיתוח פדגוגי - ט' מצטיינים

קבוצת פיתוח פדגוגי - ט' מצטיינים

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יב

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יב
15 בינואר 2024

מסלול הכשרת מנחי חקר פיזיקה

מסלול הכשרת מנחי חקר פיזיקה
16 בינואר 2024 17 בינואר 2024

מסלול הכשרת מורי/ות מדעים חט"ב

מסלול הכשרת מורי/ות מדעים חט"ב
18 בינואר 2024

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יא

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יא
19 בינואר 2024 20 בינואר 2024
21 בינואר 2024

קבוצת פיתוח פדגוגי - ט' מצטיינים

קבוצת פיתוח פדגוגי - ט' מצטיינים

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יב

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יב
22 בינואר 2024

מסלול הכשרת מנחי חקר פיזיקה

מסלול הכשרת מנחי חקר פיזיקה
23 בינואר 2024 24 בינואר 2024

מסלול הכשרת מורי/ות מדעים חט"ב

מסלול הכשרת מורי/ות מדעים חט"ב
25 בינואר 2024

חג הנביא אליהו, עיד אל־חד'ר

חג הנביא אליהו, עיד אל־חד'ר

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יא

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יא
26 בינואר 2024 27 בינואר 2024
28 בינואר 2024

ט' מצטיינים-ערב סיום

ט' מצטיינים-ערב סיום

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יב

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יב
29 בינואר 2024

מסלול הכשרת מנחי חקר פיזיקה

מסלול הכשרת מנחי חקר פיזיקה
30 בינואר 2024 31 בינואר 2024

מסלול הכשרת מורי/ות מדעים חט"ב

מסלול הכשרת מורי/ות מדעים חט"ב
1 בפברואר 2024

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יא

פיזיקה מחקרית קבוצה איזורית – יא
2 בפברואר 2024 3 בפברואר 2024