某科学的水力火箭

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  小时候,每次看到火箭发射都幻想自己置身其中傲游太空的,有木有?
  买个二踢脚想过过瘾,TMD威力比炸弹还猛,被父母追得满屋跑的,有木有?
  长大后,想DIY个模型发现火药成违禁物了,有木有?
  去玩具店买支吧,得从生活费中抠一年才够数,物价还在嗖嗖涨啊,有木有?
  想当Geek的孩纸,你们桑不起啊啊!孩纸们,Geek面前没有困难,《Geek》今天就带给大家一枚环保、简易,只需30分钟就能搞定的水力火箭!火箭全部由垃圾材料制成,“燃料”是水,加注工具是打气筒,喷出效果比某些岛国动作片更壮观,此外,还附送骨灰级Geek遥测方案一套。
  
  材料及工具准备
  
  1 容量为2L的塑料可乐瓶两只,可口可乐、百事可乐、非常可乐、雪碧……品牌不限,当然要求最好具备流线型的外观。也可以选其他容量的,这只和发射高度及威力大小有关,2L是比较适合的尺寸。
  2 打包胶带一卷,各文具店有售。
  3 热胶枪一把,胶条若干,Geek必备。
  4 硬挺的纸板,常见的瓦楞纸箱即可。
  5 剪刀一把。
  
  开工喽
  
  Step 1制作火箭尾翼
  在大气中飞行的飞行器都少不了尾翼,要不,方向木法控制滴,你不希望这颗发射速度相当于土制小炮的火箭奔你面门而来吧?本例火箭中使用的为固定尾翼,采用最简单的3片式。用剪刀从纸板上裁剪三片尺寸、外形一样的直角梯形或三角形纸片搞定。尾翼的尺寸很灵活,自己看着适中就行,过大增加重量和阻力,过小则可能不起作用。
  
  Step 2预处理瓶身
  这一步主要是标出粘接尾翼的位置。由于我们使用了粘接性很强的热熔胶,为了防止粘接错位和便于修改,尾翼不是直接粘在瓶身上的,而是在打包胶带上,一旦出错,可轻易撕下。在瓶身靠近瓶口的一端沿水平面画出一圆周,刻出圆周的三均分点,在均分点位置分别贴上一块打包胶带。
  
  Step 3固定尾翼
  预热热胶枪,将热熔胶涂抹在尾翼的长边上,保持尾翼面与瓶身轴线处在同一平面,将尾翼固定在打包胶带上。如果出错,可以撕下胶带,重新粘接。确认各尾翼的尺寸、重量基本一致,并均匀分布在瓶身的圆周上。
  
  Step4制作火箭头部
  粘有尾翼的可乐瓶瓶口是充当喷口的,底部才是“火箭”的头部,为了减少空气阻力,得给它安一个流线型的“鼻子”。方法是剪下另外一只可乐瓶的瓶口部分,用胶将其粘在带尾翼瓶的底部,这样一支两头均为流线造型的“火箭”就完成喽。
  这……就完工了?是滴,它已经是属于你的火箭了,虽然样子简陋了点,但确实能飞哦!当然需要加注“燃料”和置于发射架上才可以。《Geek》友情提示:如果觉得一个可乐瓶装的燃料太少,可以将几个同样大小的可乐瓶两端剪开、用胶带“串联”起来,如题图所示。
  
  它是怎样工作滴?
  
  跟以前的手工品相比,这“火箭”现在还真看不出怎么飞。以下咱们就说说它是怎么工作滴。首先你得给火箭加注燃料一水和压缩空气。在瓶内注入大致1/4容量的水,用带有充气针的塞子塞住瓶口(充气针就是给篮球、足球充气的那种)。喷口朝下,将火箭至于发射架(如竖直的PVC管)上,然后用充气筒向瓶身充气,充气压力视瓶口的密封塞而定,自己把握喽(一般而言,瓶身不会爆掉的,不过这也要看人品,注意安全)。当感觉气压差不多的时候,用拉线或者其他工具拔出塞子(或者继续打气,让瓶内的压缩空气自己冲开塞子)。滋~~~~“水箭”就起飞了!《Geek》与神棍最大的差别是咱不仅能做出充满魔力的道具,还能用科学来加以阐释和推理。这枚水力火箭在工作原理上与真正的火箭没什么差别,都是遵从牛顿第三运动定律,利用压缩空气高速喷出水的反作用力获得动力。影响动力性能的因素主要包括气压、喷口大小和火箭自重。由于本例中喷口固定,你可以通过改变装水容量(自重)和气压的方式来优化配置,令火箭飞得更高、更远。这种优化需要获得火箭的飞行速度和高度参数,Geek从来不想当然,以下我们为诸位提供一份海外朋友的解决方案,属于番外篇。
  鉴于所有不以科学和探索为目的单纯模仿都是耍流氓,都无法称之为真正的Geek行为,下面为大家送来一套无线遥测方案。据此,你可以通过无线测量水力火箭在不同载重和压力下的飞行参数,获得最优的火箭配置。
  
  遥测套件清单
  
  1.JeeN0de套件,置于火箭头部,负责数据的发射,22.5美刀;
  2.JeeLink模块,无线接收器,36.50美刀:
  3.JeeLabs压力和温度传感器BoschBMP085,这是一个压差式海拔仪,用以测量火箭飞行高度,21.95美刀;
  4.微型USB接口板套件,14美刀。选购件包括:
  JeeLabs三轴重力加速器BMA020,用于测定火箭运行时的加速度,20美73;JeeLabs EEPROM可擦写存储器,128KB容量,9.5美刀。
  呃……总花费不少,不过这些部件都可以作为储备,应用到以后的作品中,还是值得。国内的电子市场和淘宝上应该也有类似的套件出售。此外,需要特别说明的是,这些元件都是散装套件,需要自己焊接,这是技术活,得练!
  
  遥测组件组装
  
   虽然具体的组装视所采用的元件,方式不一,但总的组装流程依然可以基本分为以下几步:
  
  Sfep 1 焊接套件请参考所购买套件提供的电路图,倘若对自己手艺不放心,可请求外援。套件共有两部分:JeeNode无线发射套件和JeeLink接收模块,基于Arduino开源硬件方案。替代品应该很多,不一定非要选Jee这家。
  
  Step 2 安装数据收集仓嗯,还记得前面咱给火箭做的“鼻子”么?现在得将它拆下来,做成一个载物舱。将压力传感器和加速度传感器与JeeNode套件板连接,为减少重量,可以使用锂电或CR2032电池供电。用捆扎线固定好,并将整个组件放置在“鼻子”内。注意,不要把“鼻子”封死,后续还需要打开这个“舱”上载和读取数据。整个套件完工后的重量约为50g。
  
  Step 3建立数据收集通道其实就是将JeeLinl(模块与电脑连接,以便可以使用程序读取和分析JeeLink接收到的数据。使用USB数据线将JeeLink连接到电脑的任意USB口即可。因为是开源硬件,电脑安装Arduino SDK后会自动识别,没有寻找驱动程序的烦劳。
  
  Step 4 写入遥测程序基于Arduino的开源硬件除了可以无缝实现与电脑的连接,还能通过对硬件编程,实现各种功能,所以家里常备一套,对发挥Geek潜力大有裨益。这里需要3个程序:火箭头部的JeeNode套件收集程序,负责获取加速度和压力传感器的数值,并将其编码发射出去;JeeLink接收解码程序,负责数据的接受和解调;电脑端运行图形记录和数据分析程序。JeeNode套件收集程序需要借用小USB接口板与JeeNode套件连接,再通过USB板与电脑连接,然后使用电脑上载程序至JeeNode套件的ROM中;JeeLink接收解码程序可以直接通过电脑写入JeeLink套件板;数据分析程序则驻留在电脑上,启动后会监测JeeLink接收到的数据。
  
  调试和控制
  
  整套方案从易于操控人手,只有三枚控制键(电脑键盘控制),分别对应传感器复位和存储器清零(C键),数据传输和记录(W键)以及内置EEPROM存储数据读取(R键)。
  
  1.首先将水力火箭在发射架上安置好,启动电脑端控制程序,按下C键,此时屏幕上的高度、加速度、温度等值应显示为0,0,0,曲线可能会有小幅波动,此属正常。
  
  2.按下W键启动数据传输和记录,同时开始发射倒计时。火箭发射后,可以在屏幕上实时看到加速度和高度的曲线图,待火箭落地后,按下W键,停止记录。
  
  3.你必须了解,不是每次的飞行数据都能完好地发送至电脑端,这个无线套件的功率很小,传输距离有限,一旦超过接收范围,数据就会丢失。为了避免这种沮丧,我们可以在JeeNode套件插槽上插入EEPROM存储器,它会不停记录从发射开始的所有数据,直至耗尽EEPROM的存储空间。事后可以使用小USB接口板连接JeeNode套件,通过电脑进行读取,类似于飞机上的“黑匣子”。
  
  4.使用不同的载重和气压值多测试几组数据,剩下的就是数值分析了。此方案中使用的水力火箭重185g,充气压力约为4个大气压,测得的瞬间加速度高达8g以上——普通人在3~4g的加速度时已经开始头晕恶心。所以,安全很重要,别离得太近!
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