Nauka „wysokich lotów” – konstruowanie rakiet w szkole Teach article

Tłumaczenie: Grzegorz Glubowski. Chciałeś (chciałaś) kiedyś wystrzelić rakietę? Jan-Erik Rønningen, Frida Vestnes, Rohan Sheth i Maria Råken z European Space Camp wyjaśniają jak można tego dokonać.

Start rakiety
Zdjęcie dzięki uprzejmości
European Space Camp

Astronautyka jest fascynującym obszarem dla dociekań, czy to w szkole, czy to jak w naszym przypadku, podczas trwającego tydzień Europejskiego Obozu Kosmicznego (European Space Camp) w Norwegii (przeczytaj informację). Jednym z aspektów praktycznych, łatwym do zastosowania w klasie, jest technika rakietowa.

Papierowe rakiety są małe i stosunkowo łatwo je zbudować, a ich zasięg może sięgnąć 50 metrów i więcej, prowokując uczniowską rywalizację pod względem wysokości albo odległości lotu, zależnie od ilości dostępnego miejsca. Mogą oni wykazać się twórczym podejściem, projektując ciekawe wizualnie rakiety lub też stosując różnego rodzaju materiały. Budowanie papierowej rakiety jest doskonałą zabawą i jednocześnie okazją do nauczenia się mnóstwa fizyki. Opisujemy tu prostą rakietę, którą zbudowaliśmy i wystrzeliliśmy podczas European Space Camp w 2011 roku.

Wystrzelenie rakiety
sondażowej Renu

Zdjęcie dzięki uprzejmości the
European Space Camp

Konstruowanie papierowych rakiet ułatwia uczniom powiązanie wielu różnych pojęć fizyki, w szczególności równań ruchu – łączących szybkość, przyspieszenie, odległość i czas – i zasad aerodynamiki. Jest też świetnym wprowadzeniem do tego, jak to jest być naukowcem: projektującym rakietę na podstawie zasad teoretycznych, przeprowadzającym eksperymentalne starty rakiet i w końcu analizującym rezultaty, wyciągającym wnioski i identyfikującym zagadnienia do poprawy następnym razem.

Zbuduj własną rakietę

Materiały

  • Dwa arkusze papieru A4
  • Nożyczki
  • Taśma klejąca (przylepiec)
  • Kit lub plastelina

Procedura

Celem do osiągnięcia podczas budowy rakiety jest zminimalizowanie oporu powietrza. Opór ten zależy głównie od szybkości, ale też od wielkości powierzchni czołowej rakiety i jej kształtu – ważne podczas projektowania.

Korpus rakiety:

  1. Zwiń w cylinder jeden arkusz papieru, aby uformować korpus rakiety.
  2. Uszczelnij jeden z końców cylindra taśmą klejącą, tworząc przód rakiety. Sprawdź wdmuchując w cylinder powietrze, czy uszczelnienie jest hermetyczne.
Formowanie głowicy
Zdjęcie dzięki uprzejmości the
European Space Camp

Głowica rakiety:

  1. Wytnij krążek z drugiego arkusza papieru (średnica 7.5 cm), następnie z krążka wytnij sektor o kącie około 90 stopni.
  2. Zwiń pozostały kawałek w stożek i umieść w jego końcu małą kulkę kitu. Przymocuj następnie stożek do uszczelnionego końca korpusu rakiety taśmą klejącą.

Prace wykończeniowe:

  1. Wytnij cztery dokładnie takiej samej wielkości papierowe trójkąty i zagnij jeden brzeg u każdego trójkąta, aby powstał płat, który będzie można przymocować do rakiety.
    Należy pomyśleć o optymalnym kształcie statecznika – niektóre profile spowodują większe wirowanie rakiety, inne mniejsze. Czy jest pożądane, aby rakieta wirowała?

Stabilność

Stabilność rakiety zależy od wzajemnego położenia środka ciężkości i środka parcia aerodynamicznego. Stabilna rakieta powinna mieć środek ciężkości zawsze przed środkiem parcia aerodynamicznego. Środek parcia aerodynamicznego jest tam, gdzie przyłożona jest wypadkowa wszystkich sił oporu.

Jeżeli środek parcia aerodynamicznego będzie przed środkiem ciężkości, pojawi się moment obrotowy, który spowoduje obrót rakiety podczas lotu. Zazwyczaj z tego powodu umieszcza się w głowicy rakiety balast.

Jeżeli jest zbyt duża odległość między środkiem ciężkości i środkiem parcia aerodynamicznego, albo gdy umieszczono zbyt wielką masę w dziobie rakiety, albo też lotki są za duże, rakieta będzie wrażliwsza na podmuchy wiatru.

Rysunek 1: Nasza wyrzutnia
rakietowa, wykonana z
miedzianej rurki i zasilana
przez kompresor powietrza.
A: Kompresor jest
przyłączony tutaj; B: Komora
kompresyjna; C: Dźwignia
otwierająca wylot powietrza;
D: Rurka startowa

Start rakiety

Do startu rakiety potrzebna będzie wyrzutnia, którą z powodów bezpieczeństwa powinien zbudować nauczyciel. Jest wiele typów wyrzutni, lecz w zasadzie wszystkie zbudowane są z wytrzymałej rurki i trzech takich samych części.

  1. Komory kompresyjnej, w której powietrze jest sprężane za pomocą kompresora, albo pompki rowerowej z wbudowanym ciśnieniomierzem (Rysunek 1, A + B).
  2. Rurki startowej, na której umieszcza się rakietę (Rysunek 1, D). Powinna zostać zapewniona możliwość regulowania kąta startu rakiety.
  3. Mechanizmu (np. dźwignia lub zawór elektryczny) uwalniającego powietrze z komory kompresyjnej do rurki startowej (Rysunek 1, C). Nagłe wypuszczenie sprężonego powietrza wyrzuca rakietę.
Nasza wyrzutnia rakietowa,
wykonana z miedzianej rurki
i zasilana pompką rowerową.
A: Komora kompresyjna; B:
Dźwignia otwierająca wylot
powietrza. Kliknij na obrazek
aby powiększyć

Zdjęcia dzięki uprzejmości
European Space Camp

Zalecamy zbudowanie solidnej wyrzutni z metalowej rury instalacyjnej, z nastawną rurką startową. Pozwoli to na powtarzalne starty pod różnymi kątami wyniesienia. W Obozie Kosmicznym użyliśmy urządzenia startowego, w którym powietrze było pompowane przy użyciu taniego kompresora do układu miedzianych rur. Uzyskaliśmy solidny i wytrzymały system, który można użyć wielokrotnie. Instrukcja budowy jest do pobrania pod adresem poniżejw1. Można też zbudować wyrzutnię z PCV, przy użyciu materiałów łatwo dostępnych w sklepach z osprzętem komputerowym, jak opisano to na stronie internetowej NASAw2.

Zauważ, że wyższe ciśnienie powietrza podczas startu rakiety niekoniecznie skutkuje lepszymi osiągami. Jest tak, gdyż opór aerodynamiczny rakiety wzrasta wraz z szybkością. Stateczniki rakiety mogą ulec zniekształceniu, przez co powiększa się opór i zmniejszają osiągi.

Przed podjęciem decyzji o kącie wystrzelenia rakiety, uczniowie powinni pomyśleć o tym, jak kąt wznoszenia wpływa na zasięg rakiety i wysokość toru (jej najwyższe położenie nad ziemią).

 

Bezpieczeństwo

Bardzo ważne jest zachowanie warunków bezpieczeństwa podczas odpalania rakiet. Uczniowie powinni nosić okulary ochronne i zawsze stać za wyrzutnią, by uniknąć uderzenia przez rakietę. Przy stosowaniu kompresora, nie przekraczać ciśnienia granicznego, przy którym mogłoby nastąpić rozdzielenie elementów wyrzutni, albo nawet jej rozerwanie. Dokładna wartość tego ciśnienia zależy od użytych materiałów. Miedziana wyrzutnia, którą zbudowaliśmy w Europejskim Obozie Kosmicznymw1 mogłaby wytrzymać więcej niż 8.3∙105 Pa; wyrzutnia NASAw2 z PCV wytrzymuje do 2.0∙105 Pa.

Rysunek 2: Wyrzutnia
rakietowa
A) Rakieta z papieru
B) Rurka miedziana
C) Zawór
D) wskaźnik ciśnienia

Zdjęcie dzięki uprzejmości
European Space Camp


 

Dalsze działania

Po tym, jak już rakieta wystartuje, uczniowie mogą analizować jej trajektorię, aby poznać maksymalną, osiągniętą wysokość toru (apogeum) i szybkość początkową. Dla przeprowadzenia analizy trajektorii trzeba niektóre pomiary wykonać przed startem (zobacz Rysunek 2):

  • Długość korpusu rakiety (h, [m])
  • Wewnętrzna średnica wyrzutni (Di , [m])
  • Ciśnienie wewnątrz wyrzutni (P, [Pa]) przed startem należy odczytać z manometru na pompie lub kompresorze przy zamkniętym zaworze, i wyrazić w Paskalach. (Zakładamy, ciśnienie jest jednakowe na całej długości rurki.)
  • Masa rakiety (mr , [kg])
  • Kąt wznoszenia (θ, [stopnie]; Rysunek 3).
     
  1. Pierwszy krok polega na obliczeniu początkowej szybkości (ν0) rakiety. Jest ona równa iloczynowi przyspieszenia (a) rakiety i czasu (t0) działała na nią siły:
  1. Siłę działającą na rakietę można obliczyć na podstawie poniższych dwóch równań. Ai jest polem przekroju poprzecznego korpusu rakiety.
  1. Przyspieszenie rakiety może zostać wyrażone po połączeniu tych równań:
  1. W czasie t0 , rakieta pokonuje odległość równą własnej długości (h), którą można wyrazić przez:
  1. Wyrażenie na t0 otrzymamy po przekształceniu równania 5:

Początkowa szybkość rakiety (ν0) może teraz zostać wyrażona przez znane zmienne, po wstawieniu wyrażenia na czas t0 (równanie 6) i przyspieszenia a (równanie 4) do równania na szybkość początkową (równanie 1):

Zakładamy, że rakieta ma paraboliczny tor lotu, co pozwala nam na napisanie równania trajektorii rakiety.

Rysunek 3: Tor lotu rakiety
Zdjęcie dzięki uprzejmości European Space Camp
  1. Po rozłożeniu wektora szybkości początkowej ν0 na kierunki x i y, odległość pokonywana przez rakietę w tych kierunkach będzie:

gdzie g jest przyspieszeniem ziemskim

  1. Z równania na odległość pokonywaną w kierunku x (równanie 8) otrzymujemy wyrażenie na czas trwania ruchu t, które można wstawić do równania na odległość pokonywaną w kierunku y (równanie 9) i tak otrzymujemy równanie trajektorii rakiety:
  1. Wysokość toru rakiety (H) może zostać obliczona na podstawie:
Udany lot
Zdjęcie dzięki uprzejmości
European Space Camp

Każdą rakietę prawdopodobnie będzie można wypuścić tylko jeden raz, ponieważ głowica zwykle ulega uszkodzeniu podczas lądowania. Jeśli jednak rakiety pozostaną nietknięte, uczniowie mogą przeprowadzać powtórki i zmieniać kąt startu.

Można na podstawie uzyskanych rezultatów dyskutować nad następującymi zagadnieniami:

  1. Jak ciężar rakiety wpływa na wysokość toru i zasięg?
  2. Dlaczego wiatr wpływa na osiągi papierowej rakiety?
  3. Co zdarzyłoby się, gdyby umieścić lotki blisko głowicy?
  4. Jak wyrzutnia powinna być skierowana w relacji do kierunku wiatru?

Europejski Obóz Kosmiczny

Europejski Obóz Kosmiczny (The European Space Camp) Europejski Kosmiczny Obóz koncentruje się na zagadnieniach ważnych dla przemysłu kosmicznego, motywując i inspirując uczniów poprzez pokazywanie im jak wprowadzać w życie pomysły teoretyczne.

Podczas tygodniowego obozu na terenie kosmodromu Andøya Rocket Range w Norwegii, najdalej na północ położonej stałej platformie startowej, 24 uczniów w wieku 17-20 lat jest traktowanych jak prawdziwi naukowcy i inżynierowie astronautyki, którzy korzystają z profesjonalnego wyposażenia i rozwiązują w międzynarodowych zespołach poważne problemy.

Każdy zespół zajmuje się innymi aspektami astronautyki, takimi jak: projektowaniem systemów, oprzyrządowaniem doświadczalnym, zestawianiem ładunku użytecznego, czy telemetrią; przygotowując wspólnie start rakiety sondażowej dla wyniesienia instrumentów badawczych. Uczestnicy słuchają też wykładów najlepszych europejskich naukowców, a tematy mieszczą się w zakresie od fizyki rakietowej do zórz polarnych. Niektóre wykłady uzupełnione są fascynującymi ćwiczeniami praktycznymi, takimi jak budowa rakiet z papieru, co właśnie zostało opisane w tym artykule.

Uczniowie zainteresowani uczestnictwem o obozie w 2012 roku (24 czerwiec – 2 lipca) powinni odwiedzić stronę domową internetowąw3 lub wysłać list na adres contact@spacecamp.no.


 


Web References

  • w1 – Możesz pobrać instrukcję budowy wyrzutni rakietowej w formacie Word® lub PDF.
  • w2 – Instrukcja budowy wyrzutni rakietowej z rurek PCV, do pobrania ze strony internetowej NASA (www.nasa.gov – szukaj ‘High-Power Paper Rocket Launcher Directions’) lub bezpośrednio z: http://tinyurl.com/7lydxuc
  • Instrukcje są częścią opracowanego w NASA przewodnika dla nauczyciela, który zawiera dużo więcej informacji dotyczących budowy rakiet w szkole. Zobacz www.nasa.gov lub skorzystaj z linku bezpośredniego: http://tinyurl.com/yx2et6
  • w3 – Więcej o Europejskim Obozie Kosmicznym i zasadach ubiegania się o uczestnictwo na http://www.spacecamp.no

Resources

Author(s)

Jan-Erik Rønningen jest inżynierem urządzeń i materiałów pędnych w Nammo Raufoss i liderem grupy projektowania systemów rakietowych w European Space Camp. Od 1997 roku pracował w wydziale pocisków rakietowych w Raufoss Nammo, gdzie rozwijał nową technologię rakietową i ulepszał istniejącą technologię rakiet hybrydowych. W European Space Camp jest głównym ekspertem w dziedzinie rakiet i ich działania.

Sheth Rohan jest studentem trzeciego roku w Imperial College London, UK, gdzie zamierza obronić pracę magisterską z matematyki. Aktualnie przez rok studiuje na Uniwersytecie Humboldta w Berlinie, w ramach wymiany Erasmusa. Jest on przedstawicielem brytyjskim w Team Space Camp, organizującym European Space Camp wraz z Norwegian Centre for Space Related Education (NAROM) (Norweskie Centrum Edukacji Kosmicznej).

Frida Vestnes jest studentką pierwszego roku na Norwegian University of Science and Technology (Norweskim Uniwersytecie Nauki i Technologii), gdzie zamierza uzyskać stopień magistra mechaniki i budowy maszyn. Jest ona szefową Team Space Camp (Zespołu Obozu Kosmicznego).

Maria Råken jest studentką pierwszego roku na Uniwersytecie Oslo w Norwegii, uczestniczy w jednorocznym programie naukowym poprzedzającym otwarcie przewodu magisterskiego z chemii na Norwegian University of Science and Technology (Norweskim Uniwersytecie Nauki i Technologii). Jest członkiem Team Space Camp.


Review

Budowa i odpalanie rakiet są wyjątkowymi przeżyciami, którymi uczniowie mogą cieszyć się w grupie rówieśników. Jest to sposób łączenia starej i najnowszej nauki, gdyż standardowe teorie i równania stosowane są w zaawansowanych technikach badania kosmosu.

Działania opisane w niniejszym artykule zdecydowanie pobudzą zainteresowanie uczniów, z których większość zrobi co tyko w ich mocy, by zbudować możliwie najlepszą rakietę. Zanim podejmą próbę zbudowania własnej rakiety, powinni zbadać i przedyskutować jak kształt, wymiary i użyte materiały wpływają na zasięg, wysokość i czas lotu rakiety. Po fakcie otwiera się nowy wymiar dyskusji na temat konstrukcji i oceny wyników, gdy uczniowie omawiają swoje indywidualne rezultaty z całą klasą i widzą, które metody i modele okazały się lepsze i dlaczego. Ponadto, mogą oni próbować poprawiać swoje modele i ponownie testować swoje hipotezy.

Wśród tematów, nie tylko naukowych, które można przedyskutować z uczniami przed albo po zakończeniu ich działań, można wymienić:

  • Ludzka ciekawość o Wszechświecie
  • Pomyślne misje kosmiczne
  • Misje, które były mniej pomyślne
  • Uzasadnienie budżetu niektórych z tych misji wobec aktualnych problemów ekonomicznych
  • Wymagane przygotowanie naukowe, fizyczne i psychologiczne astronautów.

Proponowane działania obejmują szeroki wachlarz zagadnień fizyki idealnych dla wieku 13-16 lat, jak też włączają pojęcia fizyki, równania i matematykę odpowiednie dla uczniów w wieku powyżej 16 lat. Nauczyciele mogą dostosować poziom matematyki do poziomu ich klasy. Zagadnienia obejmują: grawitację i szybkość ucieczki, równowagę i środek ciężkości, rzuty, opór powietrza w relacji do masy i kształtu rakiety, zachowanie pędu i energii podczas startu i własności materiałów.


Catherine Cutajar, Malta




License

CC-BY-NC-SA