浅谈水火箭的重心

水火箭又称气压式喷水火箭，是以水作媒介，将高压气体注入其中，将喷嘴打开时，向后高速喷水，水火箭在反作用力下向前飞出，深受学生喜爱。它不仅能培养学生对物理的兴趣，而且能促使学生动手动脑，从实践中理解物理知识。通过实践，大家都知道当重心靠前时，水火箭才能更好地飞行，却不明白为什么要让重心靠前。

水火箭听起来很神秘，最基本的水火箭做起来却比较简单―如图1所示，把碳酸饮料瓶颠倒过来，瓶子的底部粘上头锥（即整流罩），瓶口位置附近粘贴尾翼，就做成了水火箭，图2为水火箭作品。

如果直接把这样的水火箭拿去发射，很可能是飞不好的，因为缺少一个重要步骤―加配重，就是要在水火箭的头部增加适当的配重，调整其重心位置。只有重心位置合适的水火箭，才能稳定飞行，如图3、图4所示。

图3 空气动力学稳定的水火箭，空气阻力使得飞行轨迹不对称。

图4 空气动力学不稳定的水火箭，起飞后在空中翻滚，然后掉落。

众所周知，在发射水火箭的时候是要加水的。那么调节水火箭的重心时，是在加水的状态下调节，还是在不加水的状态下调节？

有位美国人用高速摄像机研究水火箭的发射过程，如图5所示。

逐帧分析他拍摄的图像，两帧之间的时间间隔为1/15秒（约0.66秒）。从图5的第2、3两幅图可以知道，经过1/15秒，水火箭前进了1个瓶子的距离（约40厘米）；从第3、4两幅图可知，再经过1/15秒，水火箭又前进了3个瓶子的距离（约120厘米），根据牛顿第二定律的运动学公式可以计算出，在0.2秒的时候，水火箭的飞行速度达18米/秒（约65km/h）。只需约0.3秒，水就全部喷出，水火箭加速完毕，然后在惯性作用下继续飞行。由此可知，水火箭的大部分飞行时间中，是没有水的，因此要在不加水的状态下调节水火箭的重心位置。

通常可以通过支点法或悬挂法找到水火箭的重心位置，如图3所示，用绳子系住水火箭，当水火箭能够在水平位置静止的时候，悬挂点就通过水火箭的重心位置。

图6甲中，重心靠近水火箭头部；图6乙中，重心靠近水火箭尾部。那么，哪种情况下的水火箭能够稳定飞行呢？

让我们从空气动力学的角度进行分析，由空气动力学知识可以知道，物体在空气中运动时，会产生空气阻力。通常空气阻力与速度平方成正比，即f=kv2。从美国人的研究中可以知道，水火箭发射后，速度从零迅速增加到约18m/s，速度相当惊人，在这样的速度下，空气阻力的作用非常明显，空气阻力主要影响水火箭的飞行稳定性，水火箭在飞行过程中将以重心为支点转动。

首先分析重心靠近水火箭头部的情况。

图7甲表示水火箭在竖直上飞，空气阻力均匀作用在火箭上面，这是非常理想的情况。实际上，往往会因为刮风，或箭身不够圆滑，或倾斜发射，导致空气阻力不均匀，出现图7乙中空气阻力作用在箭身一侧的情形。当箭身粗细均匀时，这些空气阻力可以看作集中作用在箭身中部的一点上，这点叫做压心（空气阻力作用点），如图7丙所示。因为水火箭以重心为支点转动，而压心在重心下方，所以水火箭将自动回复到原来的运动轨迹上去，如图7丁所示。也就是说，重心靠近水火箭头部的时候，水火箭可以自动回复飞行姿态，飞行具有稳定性。

反之，当重心靠近水火箭尾部的时候，飞行过程中略有偏斜，导致空气阻力作用在箭身一侧，此时压心也在水火箭的中心位置附近，压心在重心上方，而水火箭以重心为支点转动，使得水火箭偏转加剧，如图8丁所示，飞行姿态恶化，到处乱飞，甚至一头扎在地上。从上面的分析可以知道，应该让水火箭的重心靠近头部。怎样调整水火箭的重心呢？方法很多，可以在头锥里面加重物，团一团报纸塞里面或者放节旧电池在里面。也可以适当加长水火箭的箭身。

是不是头部越重越好呢？答案当然是否定的。可以设想一种极端情况，在水火箭头部绑个铅球会如何？很明显，水火箭将一头栽倒在地。一方面我们要调节水火箭的重心靠近头部，同时又不能过于增加水火箭的重量，要在火箭总重和重心位置两者之间找到平衡点，否则就会适得其反。

实际制作、发射的经验也告诉我们，水火箭的重心应靠近头部，用空气动力学知识分析，让我们更加清楚为什么要重心靠前。相信在这些理论知识的指导下，我们能够少走弯路，做的更好！