摘 要
由閱讀中激發研究火箭的動機:利用空氣當媒介,產生高低壓力的流動,形成作用力與反作用力,讓火箭飛行的距離、方向及偏轉迴旋的各式飛行結果,進而希望演算、建立公式,預測飛行路徑。研究過程不以飛行距離更遠為目標,而以使空氣火箭飛行偏轉為主要研究方向,進行實驗研究與分析,並嘗試建立公式,預測飛行路線。
實驗結果,發現:打入之氣壓越多,飛行距離會越遠;加上尾翼後的空氣火箭,可以增加其穩定性;如果在雙管空氣火箭中打入不同的氣壓,可以使其有轉彎效果;在空氣火箭機頭配重,可使其旋轉及轉彎,對飛行距離無絕對關係。顛覆傳統單管或串連雙管的水火箭,利用並聯雙管空氣火箭達到迴旋飛行的效果。
壹、 研究動機
閱讀「十月的天空」這本書,帶給我們很多的震撼和啟發。當蘇聯的第一顆人造衛星,劃過美國的天空時,有人恐懼、有人氣憤,也有激起像我們這般年紀的少年,有為者亦若是的雄心壯志,鍥而不捨地發射自己的火箭。
當老師上自然課,介紹並示範水火箭的製作與原理時,再度引發我們對火箭的興趣:利用空氣或水的媒介,產生高低壓力的流動,形成作用力與反作用力,讓火箭飛行的距離、方向及偏轉迴旋的各式飛行結果,令人著迷,不禁想探究其中的變因與原理,希望能找到自己的公式,可以預測自製火箭的飛行路線與距離,假以時日,我們小小的夢想,也會照亮整片天空!
陸、 結論
一、 實驗結果發現,打入空氣越多,壓力越大,飛行距離會越遠。在校園中,打入2bar(約30psi)的氣壓為最適氣壓,單管空氣火箭可飛約8到9公尺,最高可達14公尺,而雙管的部分約可飛4到5公尺,最高可達10公尺。雙管火箭會比單管火箭的平均飛行距離少的原因,是因為雙管的火箭較不成流線型,且重量較重的關係。
二、 加上尾翼後的空氣火箭,可以增加其穩定性,使其飛行時較不會受到空氣的干擾;一但調整成穩定飛行,尾翼的數量,與其飛行距離並無絕對關係。
三、 如果在雙管的空氣火箭的兩邊打入不同氣壓,可使飛行路線有迴旋轉彎效果。但沒有加上尾翼以維持其穩定性,很容易只能做出翻轉(前後翻轉的次數大於水平翻轉的次數)的動作,並無法順利轉彎。如兩邊氣壓差太大,也有會造成翻轉。
四、 在空氣火箭頭上加上配重,可以使其旋轉及轉彎,但對飛行距離並無絕對關係。
五、 利用配重因素作為偏轉距離的導出公式,已大致完成。如果再修習微積分、物理的原理,應該可以推導出更實用精準的預測公式。
柒、 後續延伸研究
一、 將空氣火箭主體並聯的數量增加到三、四甚至更多個,觀察飛行距離、路線與研究載重的可能性。
二、 將配重的位置改變至火箭中間或後端,觀察飛行距離、路線與研究載重的可能性。
三、 利用雙管空氣火箭的轉彎效果,做出可迴旋至原點的空氣火箭。善用其短距離及高偏轉的特點,創造出可在室內遊玩的安全迴旋火箭,或是設計類似棒球九宮格擲準之遊戲。
四、 充實微積分與物理的知識,繼續研究計算公式,力求完美精準。
五、 將並聯火箭迴旋偏轉的特性,經過精確計算與試驗後,應用至實體軍事火箭,可達到擾亂偵查追蹤的效果。
玖、心得及感想
「做而後知不足」是這次實驗過程中,最大的體認。
在動手做科學的推廣下,我們小朋友早在幼稚園時期,就接觸到超炫、刺激的水火箭活動,往往都是爭先搶著打足氣,享受一飛衝天、水濺四溢的快感。一但要自己動手製作一個經得起反覆實驗測試的空氣火箭,才知道層層關卡的挑戰都是需要無數手作經驗和巧思的累積。
此外,更驚覺空氣無所不在,也常忽略它的存在,然而它就像個神奇的魔法師,超級厲害!在這次的實驗中,它不只是空氣火箭的原動力,也是造成我們實驗誤差的主要原因,甚至能讓空氣火箭偏轉、無從預測去向。成之、敗之都是因為空氣,真是不可思議。
實驗中總碰到許許多多的狀況,有學識經驗上的不足和激盪、也有與合作夥伴協調與溝通的問題,一次又一次考驗我們的耐心與智慧。每次科展競賽的經驗中,都學到了很多有趣又有用的知識與生活經驗,這次我們更勇敢挑戰公式的建立與計算,雖然頭昏眼花,但特別地有成就感。謝謝指導我們的老師、還有陪伴支持我們的媽媽,謝謝妳們。這一次的科展,是我們小學生涯的最後一次,希望能在我們人生中留下美好的回憶,順利迎接下一階段的挑戰。
如同「十月的天空」書中作者形容他博學的同伴時說:「我們從錯誤中汲取知識,再做新的嘗試,和他在一起一切都變成『科學』了。失敗,不過是在知識庫裡加上一筆記錄而已。」也許時空、背景不同,少年仰望天空、想實現願望的心情,總是一樣的。這次我們將小小的火箭基地設在學校的偏僻角落,千錘百鍊之後,一定會綻發更閃亮的光芒。
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