หลักทางฟิสิกส์กับจรวดขวดน้ำ

หลักวิทยาศาสตร์กับจรวดขวดน้ำ

ปัจจัยอะไรบ้างที่ส่งผลต่อการพุ่งขึ้นของจรวดขวดน้ำ
มีหลายปัจจัยที่มีผลต่อการพุ่งขึ้นของจรวดขวดน้ำ เช่น ความดัน ปริมาณน้ำที่เติม มุมยิง รูปทรง ฯลฯ ปัจจัยเหล่านี้ต่างก็ส่งผลต่อการพุ่งขึ้นของจรวดขวดน้ำ
มุมปล่อยจรวดขวดน้ำกรณีปล่อยจรวดขวดน้ำด้วยมุม 90 องศา เป็นกรณีที่สามารถทดลอง หรืออาจจะเคยเห็นเหตุการณ์ในชีวิตประจำวัน เช่น เวลาโยนก้อนหินขึ้นไปเหนือศีรษะ ก้อนหินก็จะตกลงมาโดนหัว การปล่อยจรวดขวดน้ำแบบนี้ก็เหมือนกันมันจะตกลงมาจุดเดิมที่เราปล่อย

ปริมาณน้ำ
น้ำจะเป็นตัวช่วยชะลอเวลาอากาศที่อยู่ภายในขวดออกมาช้ากว่าปกติ ทั้งนี้เนื่องจากว่า น้ำมีมวลที่มากกว่าอากาศ ดังนั้นการเติมน้ำมาก-น้อยก็ล้วนส่งผลต่อการพุ่งขึ้นของจรวดขวดน้ำ การเติมน้ำควรเติมในปริมาณ 1 ใน 3 ของขวด

ความดัน
การเพิ่มความดันเข้าไปในขวดมากเท่าใดยิ่งส่งผลให้จรวดขวดน้ำพุ่งไปได้ไกลเท่านั้น แต่ทั้งนี้ต้องขึ้นอยู่กับขวดน้ำอัดลมที่ใช้ว่าสามารถทนแรงดันได้มาก-น้อย เท่าใด
การพุ่งขึ้นของจรวดขวดน้ำสามารถอธิบายการพุ่งขึ้นไปของจรวดขวดน้ำได้ด้วยกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน ซึ่งคิดขึ้นโดยท่าน เซอร์ ไอแซค นิวตัน นักวิทยาศาสตร์ผู้ยิ่งใหญ่ชาวอังกฤษ
กฎข้อที่ 1 เรียกว่า “กฎของความเฉื่อย” กล่าวคือ วัตถุที่ไม่มีแรงภายนอกมากระทำ จะรักษาสภาพการเคลื่อนที่ของมันไว้ โดยเคลื่อนที่ไปทิศทางเดิม ด้วยความเร็วเท่าเดิม เช่น จรวดที่ติดที่ฐานปล่อยจรวดจะยังคงรักษาสภาพการหยุดนิ่งอย่างนั้น ตราบใดที่ยังไม่มีการจุดระเบิด หรือมีแรงอื่นมากระทำ
กฎข้อที่ 2 กล่าวว่า เมื่อมีแรงภายนอกมากระทำกับวัตถุ จะทำให้มันเคลื่อนที่ด้วยความเร่ง หรือมีการเปลี่ยนแปลงความเร็ว ซึ่งมีขนาดมาก หรือน้อยขึ้นอยู่กับแรงที่มากระทำ
ดังสมการ
F = ma
โดยที่ F คือ ขนาดของแรงภายนอกที่มากระทำต่อวัตถุ
m คือ มวลของวัตถุ
a คือ ความเร่งของวัตถุเนื่องจากแรงภายนอกที่มากระทำ
กฎข้อที่ 3 แรงกริยาเท่ากับแรงปฏิกิริยา แต่มีทิศทางตรงข้าม กล่าวว่า ถ้าวัตถุ A ให้แรงจำนวนหนึ่งแก่วัตถุ B วัตถุ B ก็ให้แรงจำนวนที่เท่ากันกับที่ได้รับมาส่งกลับให้วัตถุ A เช่น ขณะที่จรวดผลักให้เชื้อเพลิงที่ถูกจุดระเบิดพุ่งลงไปด้านหลัง (แรงกริยา) เชื้อเพลิงที่ถูกจุดระเบิดจะผลักให้จรวดพุ่งขึ้นไปเช่นกัน (แรงปฏิกิริยา)

หลังจากที่เราอัดอากาศเข้าไปในขวด อากาศที่ถูกอัดอยู่ภายในจรวดขวดน้ำ จะทำหน้าที่เหมือนเป็นสปริงที่จะดันให้จรวดลอยสูงขึ้นไป และดันน้ำให้พุ่งออกทางปากขวด การที่เราเติมน้ำลงไปในจรวดขวดน้ำทั้งๆ ที่ดูเหมือนว่าเราอาศัยเพียงแรงผลักของอากาศทำให้จรวดขวดน้ำพุ่งขึ้นไปได้ เป็นเพราะในขณะที่อากาศผลักให้จรวดขวดน้ำพุ่งขึ้นไป จรวดขวดน้ำก็จะผลักให้อากาศพุ่งถอยหลังไปเช่นกัน (ตามกฎข้อที่ 3 ของนิวตัน) แต่มวลของจรวดมีมากกว่ามวลของอากาศมาก ทำให้อากาศมีความเร่งมากกว่าความเร่งของจรวดมาก (พิจารณาตามกฎข้อที่ 2 ของนิวตัน) ทำให้อากาศพุ่งออกไปจากจรวดขวดน้ำหมดก่อนที่จรวดขวดน้ำจะพุ่งขึ้นไปได้สูง น้ำที่เราเติมลงไปนั้น จะช่วยชะลอเวลาที่อากาศใช้ในการพุ่งออกจากจรวดขวดน้ำ เพราะจรวดขวดน้ำต้องผลักให้น้ำภายในจรวดขวดน้ำพุ่งออกไปด้วย ทำให้ความเร็วของจรวดสูงขึ้นกว่าตอนที่ไม่ได้เติมน้ำลงไปในจรวดขวดน้ำนี้
แต่ปริมาณน้ำที่เพิ่มมากขึ้นก็จะทำให้แรงผลักของอากาศลดลง และความดันภายในจรวดก็จะลดลงรวดเร็วมากขึ้น ดังนั้น เราจึงต้องมีอัตราส่วนของการเติมน้ำอย่างเหมาะสม เพื่อทำให้จรวดขวดน้ำพุ่งออกไปได้ไกลที่สุด