ใบความรู้-เรื่อง-จรวดขวดน้ำ

1 ใบความรู้ เร่ือง ผ้พู ิชิตแรงโนม้ ถว่ ง จรวดขวดนา้ จรวดขวดน้า จรวดขวดน้ำ คือ จรวดท่ีสร้ำงจำกขวดพลำสติกน้ำอัดลมใช้แรงขับเคลื่อนด้วยน้ำ โดยอำศัย แรงดันของอำกำศท่ีบรรจุอยู่ภำยในเพ่ือใหจ้ รวดเคลื่อนท่ีได้ ส้ำหรับในประเทศไทยกำรแข่งขันจรวดขวดนำ้ ระดับประเทศ ได้มกี ำรจัดขนึ เปน็ ครังแรก ในปี 2546 โดยองค์กำรพิพธิ ภัณฑว์ ิทยำศำสตรแ์ ห่งชำติ (อพวช.) นอกจำกจะเป็นกิจกรรมท่ีสนุกสนำน ง่ำยต่อกำรท่ีเยำวชนจะให้ควำมสนใจแล้ว กำรแข่งจรวดขวดน้ำยัง ควบคู่ไปด้วย สำระควำมรู้ในกระบวนกำรวิทยำศำสตร์ ส่งเสริมพัฒนำให้เด็กได้ใช้ควำมรู้และจินตนำกำร อกี ด้วย หลกั การทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกบั จรวดขวดนา้ กฎการเคล่อื นทขี่ องนิวตัน ถูกคิดขึนโดยท่ำน เซอร์ ไอแซค นิวตัน นักวิทยำศำสตรผ์ ยู้ ง่ิ ใหญช่ ำวองั กฤษ มีอยู่ 3 ขอ้ กฎขอ้ ท่ี 1 “กฎของความเฉ่ือย” กล่ำวคือ \"วตั ถุท่ีหยดุ นิ่งจะพยำยำมหยุดน่ิงอยู่กบั ทต่ี รำบท่ีไม่มี แรงภำยนอกมำกระท้ำ ส่วนวัตถุที่เคล่ือนท่ีจะเคลื่อนท่ีเป็นเส้นตรงด้วยควำมเร็วคงที่ตรำบที่ไม่มีแรง ภำยนอกมำกระท้ำเช่นกัน\" เช่น จรวดติดท่ีฐำนปล่อยจรวดจะยังคงรักษำสภำพกำรหยุดนิ่งอย่ำงนัน ตรำบใดทย่ี ังไม่มกี ำรจุดระเบดิ หรือมแี รงอ่ืนมำกระท้ำกบั จรวดก็จะไมเ่ กิดกำรเคลื่อนที่ แรงมคี ่าเปน็ ศูนย์ (ไม่เติมลม) จรวดอยใู่ นสภาพสมดลุ รปู ท่ี 1 แสดงกำรรกั ษำสภำพสมดลุ ของจรวดขวดนำ้ ทมี่ า : http://nuclear.rmutphysics.com/blog-sci5/?p=2981 หมายเหตุ : เม่ือไม่เติมลมเข้ำไปในจรวดขวดน้ำที่ติดอยู่บนฐำนยิงจรวด จรวดจะรักษำสภำพสมดุล โดยไม่มกี ำรเคลือ่ นทีอ่ อกไปจำกฐำนยิงจรวดขวดนำ้ ตำมกฎขอ้ ที่ 1 ของนวิ ตัน

2 กฎขอ้ ท่ี 2 “กฎของความเรง่ ” กลำ่ ววำ่ เมื่อมีแรงจำกภำยนอกมำกระทำ้ กับวตั ถุ จะท้ำให้วัตถเุ คลือ่ นที่ ด้วยควำมเรง่ หรือมีกำรเปล่ยี นแปลงควำมเรว็ ซ่งึ จะมขี นำดมำกหรือน้อยขนึ อยู่กับแรงท่ีมำกระทำ้ กบั วตั ถุ เช่น เมอ่ื เรำออกแรงเทำ่ กันเพื่อผลกั รถใหเ้ คล่ือนท่ีไปข้ำงหน้ำ โดยรถที่ไมบ่ รรทุกของมีมวลนอ้ ย (เบำ) กว่ำจะเคลื่อนท่ีด้วยควำมเร่งมำกกว่ำรถทบ่ี รรทุกของ (หนักกวำ่ ) แรงมีค่าไม่เปน็ ศนู ย์ (เตมิ ลม) ปลอ่ ยจรวด จรวดจะเคล่อื นที่ รปู ที่ 2 กำรเคลื่อนที่ของจรวดขวดน้ำเน่ืองจำกมีแรงภำยนอกมำกระท้ำ ทม่ี า : http://nuclear.rmutphysics.com/blog-sci5/?p=2981 หมายเหตุ : เมื่อเติมลมเข้ำไปในจรวดขวดน้ำและปล่อยจรวดออกจำกฐำนจรวดก็จะมีกำรเปล่ียนแปลง ควำมเร็วของจรวดท้ำให้เกดิ ควำมเรง่ ตำมกฎข้อท่ี 2 ของนวิ ตัน กฎข้อที่ 3 “กฎของแรงปฏิกริยา” คือ แรงกริยำจะมีค่ำเท่ำกับแรงปฏิกิริยำ และมีทิศทำงตรง ข้ำมกัน เชน่ ถำ้ วัตถุ A ให้แรงแก่วตั ถุ B วัตถุ B ก็ใหแ้ รงจำ้ นวนท่ีเท่ำกนั กับวัตถุ A เช่น ขณะท่ีจรวดผลักให้ เชือเพลิงทถ่ี กู จุดระเบดิ พงุ่ ลงไปด้ำนหลัง (แรงกรยิ ำ) เชอื เพลิงท่ีถกู จดุ ระเบดิ จะผลักให้จรวดพงุ่ ขึนไปเช่นกัน (แรงปฏิกิรยิ ำ)

3 รปู ท่ี 3 กำรเกดิ แรงกริ ยิ ำและแรงปฏกิ ริ ิยำกบั จรวดขวดน้ำ ท่มี า : http://nuclear.rmutphysics.com/blog-sci5/?p=2981 หมายเหตุ : เมอื่ จรวดเคล่ือนที่ออกจำกฐำนยิงจรวดนอกจำกจะเกิดกฎกำรเคลื่อนท่ีของนวิ ตนั ข้อท่ี 2 แล้ว จรวดขวดน้ำจะผลักให้น้ำออกทำงด้ำนหลัง เรียกว่ำ (แรงกริยำ) และแรงดันจำกน้ำยังส่งผล ใหจ้ รวดขวดนำ้ ลอยขึนดำ้ นบน เรียกว่ำ (แรงปฏกิ ิริยำ) ตำมกฎข้อท่ี 3 ของนวิ ตนั แรงท่เี กย่ี วข้องกับจรวดขวดนา้ แรง คือ ปริมำณท่ีกระท้ำต่อวัตถุในรูปของกำรดึงกำรดัน ที่ท้ำให้วัตถุเปล่ียนสภำพกำรเคล่ือนท่ี และบำงครังทำ้ ให้เกิดกำรเปลีย่ นแปลงของรูปรำ่ ง มหี น่วยเปน็ นวิ ตนั (N) โดยแรงทีเ่ ก่ียวของกับ จรวด ขวดน้ำ มีดังนี 1. แรงยก คือ “แรงท่ีทาหน้าท่ีพยุงอากาศยานให้ลอยได้ในอากาศ” แรงยกโดยท่ัวไปจะเกิด ที่ส่วนของปีกและแพนหำงที่มีกำรเคลื่อนที่และรบกวนในกำรไหลของอำกำศ ให้มีกำรเบ่ียงเบนทิศทำง ดงั นันถำ้ ไม่มีกำรเคล่อื นที่กไ็ มเ่ กิดแรงยกขึน จรวดมีการเคลือ่ นท่ี จงึ ท้าใหเ้ กดิ แรงยก รปู ที่ 4 แสดงกำรลอยตัวของจรวดขวดน้ำเนื่องจำกแรงยก ทีม่ า : http://nuclear.rmutphysics.com/blog-sci5/?p=2981

4 2. แรงต้าน คือ “แรงที่ขัดขวางการเคลื่อนท่ีของวัตถุ” มีทิศในทำงตรงกันข้ำมกับทิศทำงกำร เคลื่อนท่ีของวัตถุ แรงต้ำนนีเกิดเนื่องจำกควำมแตกต่ำงของควำมเร็วที่ผิวสัมผัสของของแข็ง ในระหว่ำง ท่ีมันเคลื่อนตัวผ่ำนไปในของเหลว ดังนันทุกๆ ส่วนของวัตถุจึงมีผลในกำรก่อให้เกิดแรงด้ำนนีดังนันในกำร ออกแบบจรวดหรืออำกำศยำนใดๆ จำ้ เปน็ ต้องพิจำรณำถงึ รปู รำ่ งของวัตถนุ ันดว้ ย แรงตา้ นอากาศ รปู ท่ี 5 แสดงแรงตำ้ นอำกำศตอ่ กำรเคล่อื นท่ีของจรวดขวดนำ้ ทม่ี า : http://nuclear.rmutphysics.com/blog-sci5/?p=2981 3. น้าหนัก คือ “แรงเน่ืองจากสนามความโน้มถ่วงของโลกที่กระทาต่อวัตถุ” โดยท่ัวไปใน กำรศกึ ษำเก่ียวกับกำรเคลอ่ื นทขี่ องวัตถุ เรำจะพิจำรณำถงึ น้ำหนักรวมของวตั ถุซง่ึ เป็น นา้ หนัก รูปที่ 6 แสดงกำรเคลื่อนที่ของจรวดขวดนำ้ ทีม่ แี รงเน่ืองจำกสนำมโน้มถ่วงของโลก ทีม่ า : http://nuclear.rmutphysics.com/blog-sci5/?p=2981

5 ปัจจัยที่มผี ลต่อการเคล่อื นทขี่ องจรวดขวดน้า 1. แรงดันอากาศ (ลมท่เี ตมิ เข้าไปในจรวดขวดน้า) กำรเพิ่มแรงดันอำกำศ (เติมลม) เข้ำไปในจรวดขวดน้ำจะมีผลต่อกำรเคล่ือนที่ ย่ิงแรงดันอำกำศ ในจรวดขวดน้ำมำกจะท้ำให้จรวดเคลื่อนที่ไปได้ไกล โดยกำรเคล่ือนที่ของจรวดขวดน้ำจะขึนอยู่กับปริมำณ แรงดันอำกำศท่ีเรำเติมเข้ำไปในจรวดขวดน้ำ ซ่ึงจะต้องรู้ปริมำณของขวดแต่ละประเภทว่ำสำมำรถรับ แรงดันอำกำศไดม้ ำกนอ้ ยเพยี งใด รูปที่ 7 แสดงกำรเคล่ือนที่ของจรวดขวดเนอ่ื งจำกปริมำณแรงดนั อำกำศ 6 ท่มี า : http://nuclear.rmutphysics.com หมายเหตุ : แรงดนั อำกำศที่สมดุลกบั ขวด PET หรอื ตวั จรวดท่ีมขี นำด 1.25 ลิตร ต้องอย่ใู นชว่ ง - 9 kg/cm3 (6 – 9 บำร)์ 2. ปริมาณนา้ ที่เติมในจรวดขวดนา้ ปรมิ ำณนำ้ ทเ่ี ตมิ ในจรวดขวดนำ้ มีผลตอ่ กำรเคล่อื นที่ของจรวดขวดน้ำเนอ่ื งจำก น้ำจะเปน็ ตัวช่วย ชะลอเวลำอำกำศที่อยู่ภำยในขวดออกมำช้ำกว่ำปกติ ทังนี เนื่องจำกว่ำน้ำมีมวลท่ีมำกกว่ำอำกำศ ดังนัน กำรเติมน้ำมำก - น้อย ล้วนส่งผลต่อกำรพุ่งขึนของจรวดขวดน้ำ กำรเติมน้ำควรเติมในปริมำณ 1 ใน 3 ของขวด

6 รูปท่ี 8 ปรมิ ำณนำ้ ท่เี ตมิ ในจรวดขวดนำ้ ที่มา : http://nuclear.rmutphysics.com หมายเหตุ : ปรมิ ำณน้ำท่ีเหมำะสมกับขวด PET หรือตวั จรวดขนำด 1.25 ลิตร คอื 600 cm3 3. มมุ (องศา) การปลอ่ ยจรวด มุม หรือ องศำ ที่ยงิ จรวดขวดน้ำจะเป็นอีกปัจจยั หนงึ่ ทท่ี ้ำใหจ้ รวดขวดนำ้ เคลื่อนที่ไปได้ไกล หรือ ใกล้ โดยมุมที่ท้ำให้จรวดเคลื่อนท่ีได้ไกลท่ีสุดคือ มุม 45 องศำ โดยตำมหลักกำรเคล่ือนที่วิถีโค้ง เรียกว่ำ “กำรเคล่ือนท่ีแบบโปรเจกไทล์ (Projectile Motion)” มุมยิง 45 องศำ ส่วนมุมยิงจรวดขวดน้ำท่ี รวมกันแล้วได้เท่ำกับ 90 องศำ จรวดขวดน้ำจะตกต้ำแหน่งเดียวกัน เช่น มุม 60 องศำ และ มุม 30 องศำ จรวดขวดนำ้ จะตกในต้ำแหน่งเด่ียวกัน รูปที่ 9 มุม (องศำ) กำรปลอ่ ยจรวด ทม่ี า : http://nuclear.rmutphysics.com

7 หมายเหตุ : มุมท่ีไกลท่สี ดุ ในกำรยงิ จรวดคือมุม 45 องศำ ดงั นัน - มุมทไี่ กลทส่ี ดุ ในกำรยงิ จรวดคอื มุม 45 องศำ - ปริมำณน้ำท่ีเหมำะสมกบั ขวด PET หรอื ตวั จรวดขนำด 1.25 ลติ ร คอื 600 cm3 - แรงดนั อำกำศท่สี มดลุ กับขวด PET หรือตวั จรวดท่ีมีขนำด 1.25 ลิตร ต้องอยู่ในชว่ ง6 - 9 kg/cm3 หมายเหตุ : เมื่อตัวจรวดใหญ่หรือเล็กควรจะเพ่ิมหรือลดปริมำณน้ำและควำมดันบรรยำกำศตำมควำม เหมำะสมกับตัวจรวด และผลกำรทดลองนีไม่ถำวรเพรำะขึนอยู่กับตัวแปรหลำยอย่ำง เช่น ลักษณะของปีกจรวด ควำมกว้ำงยำวของตัวจรวด ปริมำณกำรถ่วงหัวจรวด และสภำพลม ในขณะท้ำกำรทดลอง เป็นตน้