PET- Raket

• Science
• Middelbare school
• vmbo t, havo
• Leerjaar 2

            Raket

Een PET fles is een kunststof fles die meestal wordt gebruikt voor frisdranken. Er zijn heel veel verschillende soorten kunststof. 

Iedere verschillende soort kunststof heeft zijn eigen naam en afkorting. Je vindt deze afkorting terug op het product.

Vraag: Waarom zou het belangrijk zijn dat alle dingen die gemaakt zijn van kunststof herkenbaar zijn aan hun afkorting?

1. zo leer je veel over kunststof
2. vanwege het statiegeld
3. dan kan het gescheiden worden tijdens de afvalverwerking
4. dan weet je waar het van gemaakt is

Waarvoor gaan we de PET flessen gebruiken?

Jullie gaan in groepjes van 2 een waterraket ontwerpen en maken.

 

Een waterraket (ook wel pet-raket) is een raket gemaakt van een petfles.    

De voortstuwing vindt plaats door de petfles voor ongeveer 1/3 te vullen met water en de rest van de fles onder druk te zetten met behulp van een fietspomp.

De fles wordt ondersteboven gelanceerd.  

Natuurkundige werking van de waterraket

Een waterraket werkt door middel van de derde wet van Newton: Het drukvat (in dit geval onze PET fles) wordt onder druk gezet. Hierdoor ontstaat er overdruk: de druk in de fles is groter dan de buitenluchtdruk. Als de raket wordt gelanceerd, dan drukt het samengeperste gas het water naar buiten, waardoor een kracht in tegengestelde richting op de fles wordt uitgeoefend volgens de derde wet van Newton.

Vraag: Een gas kun je samenpersen Kan dit met vloeistoffen ook ?

1. ja
2. nee

Misschien heb je wel eens gehoord van de uitdrukking:” Actie is Reactie”. Als de kracht groter is dan de zwaartekracht, dan is het resultaat een  kracht naar boven. Een resulterende kracht naar boven zorgt (volgens de tweede wet van Newton) voor een acceleratie naar boven.
Samengevat komt de Tweede Wet van Newton hierop neer:
•    een voorwerp in rust zal in beweging gebracht worden als er een kracht op werkt.
•    een voorwerp in beweging zal versnellen, vertragen of van richting veranderen als er een resulterende kracht op werkt.

Hierdoor zal de raket stijgen met toenemende snelheid.
Als het gas (lucht) en de vloeistof (water) uit het drukvat naar beneden zijn gespoten, dan zal er geen stuwkracht meer zijn. Op dit moment is de maximumsnelheid van de waterraket bereikt.
Hierdoor werken er alleen nog maar negatieve, omlaag gerichte krachten op de waterraket
(de zwaartekracht en de luchtwrijving).

Hierdoor zal de raket een negatieve, omlaag gerichte versnelling krijgen. De snelheid van de raket zal dus afnemen, totdat deze nul is.
Als de snelheid nul is, dan heeft de raket zijn hoogste punt bereikt. Vanaf dat moment trekt de zwaartekracht de raket terug naar de aarde. Aangezien de raket nu naar beneden vliegt, zal de luchtwrijving nu tegen de zwaartekracht werken. De luchtwrijving werkt namelijk altijd in tegengestelde richting van de snelheid.
 

Tijdens de val bereikt de fles een maximale eindsnelheid         (of terminale snelheid). De luchtwrijving wordt namelijk groter, naarmate de snelheid groter wordt, terwijl de zwaartekracht altijd hetzelfde blijft. Als de maximale snelheid bereikt is, dan is de resulterende kracht 0 N (Eerste wet van Newton).
De eerste wet van Newton: de traagheidswet
Een voorwerp waarop geen resulterende kracht werkt, is in rust of beweegt zich rechtlijnig met constante snelheid voort.
Als er geen resulterende kracht op een voorwerp inwerkt, kan er geen snelheidsverandering van dat voorwerp optreden. De snelheid zal dus onveranderd blijven: zowel grootte als richting van de snelheid blijven constant. Het voorwerp staat stil (snelheid 0) of beweegt zich met constante snelheid in een bepaalde richting.

Wat gebeurt er met de zwaartekracht als de luchtwrijving afneemt ……. ?

afb. links: Schematische tekening van een waterraket

Eerst wordt het etiket en een eventuele plastic rand onderaan de fles verwijderd. Men steekt een fiets- of autoventiel in een rubber kurk die met voldoende wrijving in de hals van de petfles past. Tegen de zijkant van de fles wordt een geleider (bijvoorbeeld stuk pvc-buis) gemonteerd. Verder heeft men een stok nodig die soepel in en uit de geleiderbuis glijdt.
Vul de fles voor 1/3 met water, steek de kurk met ventiel in de hals (moet stroef gaan). Steek de stok loodrecht in de aarde en plaats de fles ondersteboven op de stok met de geleiderbuis. Pomp de fles op met behulp van een fietspomp totdat de stop eruit knalt en de fles ongeveer 10-30 meter hoog vliegt. Een lancering is horizontaal ook mogelijk, maar hiervoor moet een groot leeg terrein beschikbaar zijn.

Veiligheid: Safety First!

Een gewone petfles is bestand tegen 10 bar inwendige druk. Pomp in een petfles nooit meer dan 10 Bar!!!

Bij een druk van  10 tot 12 Bar explodeert een petfles.                Dit kan voor ernstige verwondingen zorgen aan omstanders dichter dan 10 meter van de lanceerplaats!

Vraag: Hoeveel keer meer is 10 bar dan de luchtdruk ?

Veiligheid: Safety First!

Ga ook nooit voor de lanceerbuis zitten, ook dit kan zeer ernstige gevolgen hebben. Het water wordt in ca. 0,1 sec uit de fles gedrukt (bij een normale flessenhals); de optredende versnelling kan tussen 100 en 200 G bedragen. Bij een goede lancering kan een snelheid van 200 km/u gehaald worden, je kunt je voorstellen dat je hierdoor ernstig gewond kunt raken!

Wat wordt bedoeld met de afkorting G?
Wat is de Nederlandse term?

Leg in je eigen woorden uit of het verschil uitmaakt of je de raket lanceert op zeeniveau of hoog in de bergen?

Aerodynamica

Ook kan men eventueel vinnen aan de fles bevestigen voor stabiliteit. Als het water uit de fles is gedrukt gaat een fles zonder stabilisatievinnen dwarrelen en verliest hij heel snel snelheid en hoogte. Met vinnen aan de fles gemonteerd blijft de bovenzijde van de fles gedurende de vlucht voorwaarts gericht, waardoor de luchtweerstand relatief laag blijft. Ook een eventuele verzwaring in de neus kan werken. Volgens de wet van Newton "Massa Is Traag" heeft hij dan dus wel een kleinere versnelling tijdens de lanceerfase. 

Maar door de grotere massa gaat daarna de snelheidsafname door luchtweerstand minder snel; het is dan mogelijk om (bijna of meer dan) 180 meter hoogte te halen.                          Verder is het mogelijk om een neuskegel op de neus van de raket (dat is de bodem van de fles) te monteren voor minder aerodynamische weerstand waardoor de raket nog hoger komt. De optimale vorm voor een neuskegel is een ellips, of makkelijker, een halve bol.

Wat betekent aerodynamica ? Schrijf het antwoord in je eigen woorden op.

Waarom is aerodynamica zo belangrijk voor onze PET Raket ?

Landing van de PET Raket

Als de raket valt en hij heeft een verzwaarde neus of vinnen, dan valt hij zeer hard naar beneden en is de kans groot dat de raket breekt of ernstig beschadigd raakt. Daarom is het soms wenselijk een parachute toe te voegen. Daartoe dient een verzwaarde neus op de fles, die iets losser zit. Daaronder zit de parachute. Als de fles op zijn hoogste punt is, zal de neus eraf vallen, waardoor de parachute uitklapt. Ook kan er een "flap" aan de zijkant van de waterraket bevestigd worden, die aan de neus vastzit met een elastiek of iets dergelijks. Als de druk weg is, zal de flap openklappen waardoor de neus eraf valt en er dus een parachute uit kan klappen. Goed materiaal om een parachute mee te maken is bijvoorbeeld een vuilniszak, stof van een paraplu, een plastic tasje of een extra groot boterhamzakje.

Waterraketkrachten

Het duurvlucht wereldrecord of class c record is in handen van het Nederlandse team [D&P]Rockets* met een gemiddelde vluchttijd van 1.47 minuten met hun "Project 1.5".

Het wereldrecord van de meeste waterraketten tegelijk afschieten ligt in handen van de Nederlandse scholier Boyan Slat van Gotta Launch.

Op 19 juni 2009 heeft hij in een keer 213 waterraketten afgeschoten. Hiermee heeft de jongen een vermelding verdiend in het Guinness Book of World Records. Voor het lanceren had hij onder andere hulp gehad van studenten van de TU Delft en het Grotius College.

Waarvan is Boyan Slat behalve deze recordpoging nog meer van bekend?

Verzin een goede manier om de druk op afstand te laten ontsnappen. Welke oplossingen kun je hiervoor bedenken ?

lancering op afstand

Het is ook mogelijk de kurkstop door middel van een beugel vast te zetten, waarna er meer druk op de fles gezet kan worden. Door middel van de drukmeter op bijvoorbeeld een betere fietspomp kan de druk gemeten worden. Bij de gewenste druk moet de beugel (van een korte afstand, bijvoorbeeld door middel van een touw) losgehaald worden, zodat de petfles wegschiet.

Vraag:  Verzin een goede manier om de druk op afstand te laten ontsnappen. Welke oplossingen kun je hiervoor bedenken ?
Teken of beschrijf  je oplossing op het antwoordblad

ONDERZOEKEN – VOORBEREIDING
Verkennen en voorbereiden
    Geef antwoord op de volgende vragen:

•    Hoe ver denk je dat je raket komt?
•    Hoe ga ik de schiethoek, de druk of het volume meten?
•    Wat is de maat waarin je meet?
•    Hoe ga ik de dingen die ik gemeten heb opschrijven?

ONDERZOEKEN – Variabelen
Wat ga ik allemaal veranderen tijdens het experiment?

•    Wat weten we al? De stuwkracht laat de raket sneller bewegen. Maar er zijn ook nog andere krachten die belangrijk zijn.
•    Welke krachten zijn dat?
•    Wat moet de schiethoek zijn om zo ver mogelijk te komen?
•    Wat moet de schiethoek zijn om zo hoog mogelijk te komen?

•    Hoeveel moet de druk minimaal zijn in de raket om de kurk te laten ontsnappen?
•    Als je bijvoorbeeld de druk verandert: in welke stapjes doe je dat dan?

ONDERZOEKEN – Aanpassingen en verbeteringen
NOG VERDER! HOE MOET DAT?

•    Welke factoren zijn van invloed op de hoogte en de afstand van je raket?
•    Hoe kun je je resultaten verbeteren?

CONCLUSIE -

•    Is het gelukt om de raket steeds verder/hoger te laten vliegen?
•    Heb je voldoende antwoorden op je onderzoeksvragen gekregen?