Ứng dụng định luật bảo toàn động lượng để chế tạo tên lửa nước » Trung tâm Giáo dục nghề nghiệp – Giáo dục thường xuyên Quận 1

I. Lý do chọn đề tài

Vật lý học là môn học thực nghiệm và có vai trò hết sức quan trọng đối với sự phát triển của nhân loại. Từ việc tìm ra những quy luật vận động của thế giới tự nhiên, các nhà vật lý đã tìm ra những định luật, những nguyên lý, những lý thuyết để giải thích và làm cơ sở để các nhà khoa học áp dụng vào thực tiễn. Một trong những định luật quan trọng đã đưa con người vươn tầm với của mình ra xa vũ trụ đó là định luật bảo toàn động lượng. Đối với việc dạy học Vật lý trong nhà trường phổ thông, nhiệm vụ của người giáo viên không chỉ truyền thụ cho học sinh những kiến thức cơ bản của khoa học Vật lý mà còn cần phải có những thông tin để học sinh thấy được Vật lý học phát triển không ngừng và gắn liền với thực tiễn. Bên cạnh đó cần có những buổi ngoại khoá để tạo sân chơi, tạo điều kiện cho học sinh nghiên cứu, tìm hiểu và thực hiện ứng dụng Vật lý vào đời sống. Một chương trình ngoại khoá sẽ thật sự hấp dẫn và hiệu quả nếu chúng ta kết hợp một sân chơi về kiến thức Vật lý và ứng dụng chế tạo những thí nghiệm, những mô hình đơn giản mà học sinh có thể làm được. Định luật bảo toàn động lượng là một định luật được áp dụng rất nhiều trong việc chế tạo những động cơ chuyển động bằng phản lực. Nó rất gần gũi với thực tế đồng thời học sinh hoàn toàn có thể chế tạo các mô hình ứng dụng của nó. Tên lửa nước là một trong số đó.

II. Nội dung đề tài

* Cơ sở lý thuyết

Định luật bảo toàn động lượng là một định luật quan trọng trong chương trình vật lý phổ thông. Việc ứng dụng định luật bảo toàn động lượng vào cuộc sống rất phổ biến. Ta có thể bắt gặp ở chuyển động của tên lửa, máy bay phản lực, chuyển động của pháo thăng thiên, chuyển động giật lùi của súng và khẩu đại bác khi bắn, chuyển động của các con vật ở dưới nước như bạch tuộc… và gần gũi hơn là chuyển động của quả bong bóng sau khi được thổi đầy hơi v.v.. Đề tài nhằm mục tiêu giúp học sinh ứng dụng định luật bảo toàn động lượng thiết kế các “động cơ” chuyển động bằng phản lực đơn giản. Nhưng trước hết để học sinh có thể làm được thì cần hiểu rõ nội dung của định luật bảo toàn động lượng cũng như chuyển động bằng phản lực.

1. Hệ cô lập (hệ kín)

Một hệ vật (gồm nhiều vật) được gọi là hệ kín nếu chỉ có những lực của các vật trong hệ tác dụng lẫn nhau (nội lực) mà không có tác dụng từ các vật bên ngoài hệ ( ngoại lực), hoặc nếu có thì các lực này phải tự triệt tiêu lẫn nhau.

2. Động lượng

Động lượng là một đại lượng vật lý được đo bằng tích của khối lượng và vận tốc của vật. Động lượng có hướng cùng hướng với vectơ vận tốc, có đơn vị kgm/s trong hệ SI.

3. Định luật bảo toàn động lượng

Trong một hệ cô lập, tổng động lượng của hệ kín được bảo toàn.

4. Chuyển động bằng phản lực

Trong một hệ kín đứng yên, nếu có một phần của vật chuyển động theo một hướng thì phần còn lại sẽ chuyển động theo hướng ngược lại; chuyển động theo nguyên tắc đó gọi là chuyển động bằng phản lực. Ví dụ xét một khẩu đại bác đang đứng yên có khối lượng M, mang viên đạn m. Bắn viên đạn theo phương nằm ngang với vận tốc v về phía trước. Bỏ qua mọi ma sát, hệ khẩu đại bác và viên đạn trước và sau khi bắn là hệ kín. Gọi V là vận tốc khẩu đại bác. Theo định luật bảo toàn động lượng ta có:

m. v ⃗ + M. V ⃗ = 0 ⟹ V ⃗ = – (m.v ⃗)/M

Vậy sau khi bắn khẩu đại bác giật lùi trở lại phía sau.

Đó là chuyển động bằng phản lực. Vì thế khẩu đại bác thường được thiết kế rất nặng so với đạn để khi bắn khẩu đại bác ít bị giật lùi. Cũng giống như khi bắn súng trường, ta thường phải áp bán súng rất chặt vào bả vai để hạn chế sự giật lùi của súng, làm tăng độ chính xác khi bắn mục tiêu.

Những chiếc máy bay phản lực hiện đại có tốc độ khoảng 900km/h đến hơn 1300km/h. Động cơ được thiết kế ở phần đầu có máy hút và nén khí. Khi nhiên liệu cháy, hỗn hợp khí sinh ra bị đẩy về phía sau tạo ra phản lực đẩy máy bay về trước, đồng thời làm quay tuabin của máy nén. Động cơ tên lửa cũng hoạt động theo cùng nguyên tắc nhưng chỉ khác động cơ tên lửa không cần đến môi trường khí quyển bên ngoài, tức là động cơ tên lửa chỉ đốt cháy phần nhiên liệu mang theo và khí phụt ra ngoài gay nên phản lực chứ không cần hút không khí từ bên ngoài vào.

6. Tên lửa nước

Tên lửa nước hoạt động theo nguyên tắc phản lực:
– Không khí được bơm vào trong thân tên lửa làm gia tăng áp suất.
– Khi tên lửa được phóng ,do áp suất trong thân tên lửa cao hơn bên ngoài nên không khí sẽ phun ra ngoài theo lỗ hổng ở đuôi tên lửa (miệng chai). Tên lửa sẽ được đẩy về phía trước theo định luật bảo toàn động lượng:
MV = mv
Trong đó:
M: Là khối lượng của tên lửa.
V: Là vận tốc của tên lửa.
m: Là khối lượng của khí và nước phun ra.
v: Là vận tốc của khí và nước.
– Như vậy, nước được cho vào tên lửa nhằm tăng khối lượng và động lượng vật chất phun ra và do đó sẽ làm tăng vận tốc tên lửa.

II. Hướng dẫn chế tạo tên lửa nước (Water Rocket)

1. Cấu tạo

Tên lửa nước được chế tạo từ chai nhựa dung tích 1,5 lít. Nhiên liệu là hỗn hợp nước và không khí. Bệ phóng là khung được ghép từ các ống PVC.

2. Nguyên tắc hoạt động

Không khí được bơm vào chai chứa nước. Khi áp suất trong chai tăng cao thì nước và không khí sẽ phụt ra phía sau đẩy tên lửa bay về trước.

3. Các bước thực hiện chế tạo tên lửa nước
3.1 Chuẩn bị

– Hai chai nhựa loại 1,5 lít, đường kính miệng ống 21mm
– Giấy bìa cứng
– 1m25 ống nước PVC đường kính 21mm: cắt thành 7 đoạn, 6 đoạn dài 15cm, 1 đoạn dài 35cm
– 1 đoạn ống PVC 42mmm dài 5cm
– 4 đầu bịt ống 21mm
– 3 nối ống 21mm chữ T
– 10 sợi dây rút nhựa (lạt nhựa)
– 1 van xe máy (hoặc van xe đạp)
– 1 miếng săm xe
– Keo dán ống PVC
– 1 cuộn keo lụa quấn ống nước.
– 1 đồng hồ đo áp suất

3.2 Thực hiện
a. Phần cánh

Cánh tên lửa nước có thể được làm từ giấy bìa cứng, nhựa dẻo hay bất kỳ vật liệu nào có độ cứng và dễ cắt ghép. Thông thường ta làm tên lửa nước có 3 cánh.

Sau đó ghép cánh vào đuôi tên lửa nước, là phần đầu của chai nước ngọt, có thể ghép trực tiếp vào chai hoặc ghép qua lớp vỏ bao phía ngoài. Chú ý tránh làm chai nước ngọt bị thủng vì như thế nước sẽ bị rò rỉ ra ngoài, tên lửa nước sẽ không đạt đươc hiệu suất như mong muốn.

Ghép cánh trực tiếp vào thân, ta có thể dùng keo dán. Phải đảm bảo cánh được dán thật chắc để không bị rơi ra trong qua trình bay. Có thể dùng giấy bìa cứng cuộn lại thành một lớp vỏ bọc để dán cánh vào. Đường kính của lớp vỏ bọc đó bằng đường kính của thân tên lửa.

b. Phần chóp

Có 2 cách đơn giản để chế tạo phần chóp:
– Cách 1: sử dụng phần đầu vỏ chai được cắt ra, sau đó ghép vào thân tên lửa có sẵn ta đã có được phần chóp.

– Cách 2 : sử dụng giấy bìa cứng cuộn lại thành chóp tên lửa:
Làm chóp theo cách 2 này có nhược điểm là nếu làm bằng giấy bìa cứng sẽ dễ ướt dẫn đến hư chóp.

c. Làm dù cho tên lửa nước

Dù là bộ phận dùng để giảm chấn động cho tên lửa nước khi rơi, thường được đặt trong chóp tên lửa nước. Vật liệu để làm dù thường là bao nylon. Ta cắt ra thành hình tròn sau đó cột các đoạn dây vào mép để làm dây dù. Sau đó làm khoang chứa dù theo các bước sau:

Ta cột các đầu dây dù còn lại vào thành của khoang dù, sau đó cuộn lại thật gọn và cho vào khoang dù như hình dưới. Ta đã có một khoang chứa dù hoàn chỉnh cho tên lửa nước.

d. Chế tạo dàn phóng

Phần van để bơm khí vào ta gắn vào một đầu bịt ống. Đầu bịt ống này được làm bằng phẳng ( có thể dùng cưa để cưa đi phần thừa) sau đó đục một lỗ và cho van xe đạp vào. Ta dùng các miếng xăm chèn vào chỗ tiếp giáp giữa van và ống nước để tránh rò rỉ khí.

e. Khóa tên lửa
o Dùng 6 sợi dây rút nhựa quấn quanh đoạn ống 35cm
o Cột cố định 6 sợi dây lại và dùng keo nến để gia cố thêm
o Luồn ống 40cm vào để các khóa ngàm dây rút vào ngạnh ở cổ chai

4. Hoạt động

Đút phần đuôi tên lửa nước vào ống đường kính 21mm dài 35cm. Các mấu của lạt nhựa được giữ chặt vào cổ chai bằng đoạn ống nước đường kính 40mm. Bơm khí vào tên lửa nước qua van. Muốn cho tên lửa bay lên chỉ cần giật đoạn ống 40mm để các mấu của lạt nhựa bung ra qua đó tên lửa nước được giải phóng và bay lên.

III. Kết luận

Học sinh tham khảo bài viết trên có thể tự chế tạo một chiếc tên lửa nước theo ý mình, từ đó thấy được ứng dụng thực tiễn của Vật lý vào đời sống. Hy vọng rằng đề tài sẽ làm tăng tình yêu thích của các em học sinh đối với môn học Vật lý và góp phần nâng cao chất lượng giáo dục toàn diện.

Tác giả: Nguyễn Thị Linh