用气球、绳子、稻草和胶带做一个火箭。看看你能走多远多高。
学习动机
学生研究和应用牛顿运动定律(作用和反作用力)。对于年龄较大和更高级的学生，他们将学习牛顿的2nd力、质量和加速度之间的关系:F=m/a。见实验2。
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实验前
火箭对太空旅行至关重要。虽然火箭技术随着时间的推移有了显著的改进，但火箭推进的机制仍然没有改变。将火箭推向天空的力被称为推力，推力与气球火箭相同。这里的物理内容可以通过牛顿的3来解释理查德·道金斯运动定律，即每个作用力都有一个大小相等方向相反的反作用力。
*太空中没有氧气甚至空气。任何燃烧燃料的发动机，如喷气发动机或汽车发动机，都需要氧气(氧化剂)来使燃料燃烧并使发动机工作。它们从周围的空气中获取氧气。火箭也通过燃烧燃料来工作，但它们可以在太空中燃烧燃料，因为它们在一个单独的燃料箱中携带了自己的氧气。有些火箭使用固体燃料，氧(或类似的氧化剂)是固体燃料的组成部分。
假设
实验1
你从一个吹满气的气球开始。你要把气球绑在一根可以沿着一段绳子移动的吸管上。你要在气球上打个结来防止空气逸出，如果没有结，空气就会逸出。在另一个气球中，你将在开口处插入一根吸管，这样空气只能通过吸管逸出。在每种情况下气球会发生什么?对以下内容做一些预测:
- 如果你把气球的开口绑起来，防止空气逸出，然后再放它走，会发生什么事?气球会做什么?
- 如果你释放你充气的气球，并把它绑在吸管上，而没有打一个结来密封开口，会发生什么?
- 当你用吸管打开气球时，会发生什么?
- 你吹进气球的空气量(体积)会影响气球释放后的情况吗?
- 充气气球冷却后(如放入冰箱)会发生什么事?
实验2
在这个实验中，你有一个充气的气球，但你的绳子是垂直的，你会给气球增加一些重量。
- 在实验1中，气球会沿着绳子向上移动吗?
- 额外的重量会对气球产生什么影响?
材料
实验1
- 细绳(结实，但细到可以轻易穿过吸管)
- 吸管
- 胶带
- 每人或团队3-5个气球
实验2
除实验1的材料外，还需收集以下材料:
- 小重量，如5分和10分硬币，或Blutack
方法
实验1
- 找两个有一定重量的物体，你可以把绳子系在它们之间，让气球离开地面。例如，沉重的木椅，一扇门和一张桌子。绳子的长度约为7-8米。
- 把你的绳子穿过吸管。取两段胶带粘贴在吸管的外缘，如图1所示。将绳子系在两个重物之间，确保绳子水平且紧绷(中间没有下垂)。
- 把吸管放在绳子的一端。
- 给第一个气球充气，固定好末端，这样就不会有空气逸出。把气球固定在吸管上的胶带上。放开气球。会发生什么呢?把气球从胶带上拿下来。
- 给第二个气球充气，但不要打结。抓住末端，这样空气就不会逸出，然后把气球绑在绳子上的吸管上。释放气球(确保你已经连接好气球，这样开口朝向正确的方向——你会知道你是否做错了)。这次气球会发生什么?
- 测量气球沿着绳子飞行的距离。
- 重复步骤5和6三次以上。想想为什么多次重复测试很重要。
把你每个气球的结果和班上其他同学比较一下。看谁能让气球沿着绳子飞得最远。
扩展
空气是你的燃料。只充气到一半，看看这对飞行距离有什么影响。重复三次，记录每次重复的距离。
推力与空气从气球中逸出的速度成正比。将一小段塑料吸管插入气球的末端(你把嘴放在上面吹气球的部分)。用胶带把它粘住，这样吸管就成了气球里的空气可以逸出的开口，也是空气逸出的唯一途径。*给气球充气，让它沿着绳子飞。与正常开口(没有吸管)的气球相比，这个气球的动作如何?重复三次。
*用吸管吹气球比较难，所以你可能需要帮助。
温度和体积
让你们理解体积和温度之间的关系。拿两个一模一样的气球，尽可能让它们膨胀到相同的大小。固定它们的末端，以防止空气泄漏，以一种容易再次释放的方式(如强力牛头犬夹)。把一个放在冰箱里，另一个放在热的地方(如阳光下)。
10-15分钟后比较气球。或者拿一个充气气球，用一根绳子在不同温度下测量它的周长。你观察到了什么?你能解释一下发生了什么吗?
请参见下面的图2来帮助您解决这个问题。
实验2。玩力，质量和加速度
在实验2中，我们把气球举起来，你可以开始思考和理解力、质量和加速度之间的关系，以及这对于让一架真正的火箭离开地面进入太空是多么关键，以及科学家和工程师在设计火箭、飞机、汽车、自行车等我们想要移动的任何东西时需要克服的问题。
记住，推动火箭的机械力叫做推力。在这个实验中，我们要考虑牛顿第二定律，它与气球的质量(m)、加速度(a)和使气球离开地面所需的力(F)有关。其关系在计算中表示为F = ma。你需要考虑这种关系来回答这个实验中的问题，并弄清楚这个实验中发生了什么。
- 找到合适的附加点，使您的字符串垂直运行。例如，从地板到天花板，或者如果你在室外，从地面到悬垂的树枝。大约3-4米的高度就足够了。
- 用稻草把绳子绑在两个连接点之间
- 给气球充气，并把它固定在地面的吸管上。
- 释放气球。重复3次。计算三次重复的平均高度。
- 给另一个气球充气，并在气球上粘上一小块重物(如硬币)(或将一块已知重量的Blutack固定在吸管上)。释放气球。重复3次。计算三次重复的平均高度。
- 给气球增加额外的重量并检查效果。在气球不能离开地面之前，你需要增加多少重量?
- 你能让气球飞多高?
- 你能在气球上达到的最大重量是多少?
- 将你的气球在步骤4-6中达到的平均高度与班上其他同学达到的平均高度进行比较。
看看我们的垂直气球火箭下面的简短演示。
图1(左)。把你的绳子穿过吸管，并把它连接在两端，这样绳子就又直又紧。
图2(中)用胶带把气球粘在吸管上，然后发射。
图3。(右)气球发射前的倒计时火箭在垂直的字符串。和实验1一样，气球被绑在稻草上，如果有足够的推力，气球就能沿着绳子向上移动。
利用牛顿定律2和3
体验牛顿2nd和3理查德·道金斯法律在自己身上。抓起一个篮球。站在滑板上，或者坐在带轮子的办公椅上(坚硬光滑的地板是最好的。地毯摩擦力太大)。扔篮球，看看你的身体(以及滑板和椅子)会发生什么变化。如果你站在滑板上，确保你把球扔向滑板的前方。篮球将朝一个方向运动。你往哪个方向走?你有动过吗?如果你不动，是什么让你保持静止?
考虑你的身体和椅子或滑板的质量之和，并考虑力、质量和加速度之间的关系。物体的质量越大，你需要施加给它的力就越大，使它移动(加速)。
你能做什么来使自己移动(如果你保持静止)或者比以前移动得更快更远?你改变了什么:力，质量和加速度来让这个发生?
为了帮助你更好地理解这个问题，测试一下这些想法。在你的椅子上或滑板上，试着用或多或少的力量扔篮球。从椅子上或滑板上扔一个乒乓球，观察区别。
你应该注意到的是，投掷一个质量比篮球小得多的乒乓球，不会产生足够的推力来让你在椅子上移动，就像你扔篮球一样。
发生了什么
在这个实验中，气球主要是靠压力推动的。当你吹气球时，你是在向气球里装满空气分子，这些空气分子在气球内自由移动并相互碰撞。气球内的空气分子越多，分子之间的碰撞就越多，因此气球内的压力就越大。现在膨胀的气球内部的压力比气球外部要高，而气球内更高的气压就是火箭燃料的作用。
因为空气(或气体)会从高压区域移动到低压区域，当你打开气球的开口时，气球内的气体就会从气球内被推到气球外，直到气球内的压力与气球外的压力相等。
3.理查德·道金斯法律
从气球内部逸出的空气正在向一个方向(远离气球)施加一个力(一个动作)。牛顿3理查德·道金斯根据运动定律，这个作用力应该有一个大小相等，方向相反的反作用力。这种反作用力是施加在气球上的与气球排出的空气方向相反的力，这就是推动气球火箭前进的推力。
推力是使物体(在这个例子中是你的气球火箭)朝着运动方向(沿着绳子)移动的任何力。对于火箭来说，它的运动方向通常是向上的——至少如果它想进入太空的话应该是向上的。参见图4。
图4。牛顿3理查德·道金斯法律。燃烧燃料从火箭中排出的力产生了一个相等的相反的力(推力)，使火箭向上。
气球里的稻草
记住，推力与空气从气球中逸出的速度成正比。空气只能通过吸管缓慢排出，因此推力会比没有吸管时小。取决于吸管的直径，你的气球可能根本没有足够的推力来移动(a=0)。
冷气球vs热气球
这是所谓的查尔斯定律的一个演示，该定律指出，当气体的压力保持恒定时(例如在一个充气和密封的气球中)，提高其温度将增加其体积，降低温度将减少其体积。这是能量守恒，因为在气球中，热空气分子中的能量会转移到较冷空气分子中。有了这些额外的能量，气球里的空气分子就会开始扩散，占据更多的空间。当你冷却气球时，情况正好相反。也就是说，空气分子失去了一些能量，不再剧烈摇晃，彼此靠得更近(占用的空间更少)。参见图5。如果你能得到液氮来冷却气球，实验就会更加戏剧化。
如果你有一个非弹性容器，如水肺气罐或液化石油气瓶，那么体积是恒定的，加热气体分子会增加容器内的压力。气球是有弹性的，可以随着气体体积的变化而膨胀/收缩，但压力会有一点变化，因为气球的弹性是有限制的，这就是为什么我们可以把气球当作火箭。也就是说，我们可以增加气球内部的压力，以提供推力。
参见图5。
实验2。
推动火箭的机械力叫做推力。在这个实验中，我们引入牛顿第二定律，在这个定律中，我们检查了气球的质量(m)、加速度(a)和推动气球向上的力(F)之间的关系。这种关系可以表示为
F = ma。
的单位
部队(F)的单位是牛顿(N)
质量(米)的单位是千克(kg)
加速度(α)的测量单位是米每秒的平方(m/s)2）
换句话说，1Newton = 1kg×1m/s2
工程师们需要计算所有这些，才能知道汽车或飞机的发动机应该有多大——或者让任何东西移动——或者更重要的是，停下来。想象一下你的车刹车设计很差?
飞船丢了?保持冷静，使用你的工具
如果考虑力、质量和加速度之间的关系，投掷球的行为是推力(作用)，它产生相反的力(反作用力)，将你的身体(质量)推向相反的方向。假设有足够的力来克服你的质量，你向后推进的距离和速度(你的加速度)是由你的质量和你使用的力决定的。因此，如果你在太空中进行太空行走进行维修，而你脱离了宇宙飞船，你可以向与宇宙飞船相反的方向投掷工具。工具应该在你扔它的方向上以合理的速度飞行(质量不大)，而你(质量大得多)应该轻轻地回到你的飞船上。
本质上，这个关系，F=ma，告诉我们物体受到的加速度与施加的力成正比与它的质量成反比。这意味着，例如，如果你对一个物体施加两倍的力，物体的加速度就会加倍，但如果你把质量加倍，加速度就会减半。
有效载荷与燃料
《星际迷航》和《星球大战》中的宇宙飞船让这看起来很简单，但要让火箭离开发射台，它的发动机产生的推力必须大于火箭的总质量，火箭的总质量包括火箭本身、燃料、宇航员、他们的食物、实验设备等。火箭工程师的一般原则是，在火箭的总质量中，大约90%的质量需要燃料。只有大约4%的质量可以是有效载荷，即你进入太空所需的东西，如宇航员，食物和设备。
因此，在发射时，宇航员坐在一个巨大的炸弹上，这个炸弹会爆炸，只是为了把他们发射到大气层的边缘。这就是为什么科学家们正在研究新的推进系统。科学家们已经发现并使用了离子加速(带电粒子)作为航天器进入太空后产生推力的一种方式，但不幸的是，离子驱动器的推力太小，无法让火箭离开地面。传统的化学推进剂现在已经足够了，它似乎可以让我们离开地面。
图5。在充气气球上，温度对体积的影响是显而易见的。加热气球内的空气会增加气体的体积，从而增加气球的体积。当你冷却气球时，情况正好相反。
下面是NASA在空间站上演示的牛顿第二定律。
Veritasium做了另一个有趣的演示牛顿定律——它展示的是喷气动力而不是火箭动力，但原理仍然适用。
关于另一个FLEET家庭科学活动，你可以建造火箭，检查火柴头火箭活动。
致谢:气球火箭资源是由舰队博士生Abu Parvez和Hien Thi Dieu Nguyen开发的