ペットボトルロケット

現在、ペットボトルロケットの推力について研究しています。

水の噴出による推力は計算できたのですが、空気の噴出による推力で躓いています。
ノズルでの空気の噴出速度が音速を超えてしまうのですが、これは正しいのでしょうか?

よろしくお願いします。

No.3 ベストアンサー 回答者： ElectricGamo 回答日時： 2008/11/14 19:41

ご質問の空気の噴出速度が音速を超えるかどうかですが、これは空気の圧力とノズルの形次第です。

もし空気の圧力が十分高く、ノズルの流路が一旦狭くなってまた広がるラバールノズルという形になっていたら超音速も可能です。ただし、ペットボトルロケット用として市販されているノズルでは、流路が狭くなった部分(最小面積部)が噴射口出口なので出ても音速まででしょう。

恐らくご参考の

　　http://www.asahi-net.or.jp/~hy9n-knk/sec4.htm

のページの(8-2)式のp1/p0に1/4を入れて計算されたところ音速を超えたと思うのですが、ペットボトル内部の圧力が十分高い場合には噴射口の圧力は1気圧にはならず、p1/p0は(2/(γ+1))^(γ/(γ-1))=0.528になります。

これはペットボトルロケットの噴射口のように流路面積が一番小さい場所では(上流の圧力が十分高ければ)流れの速度が音速になるということから導かれた式です。最小面積部で流れが音速になるのは、実験的にも理論的にも出てくるもので、これ以上の速度にはできません。ただし、この先にラッパの口のように広がる流路を付ければ音速を超えた流れにすることができます。通常のロケットエンジンが釣鐘のような形をしているのはこのような理由です。ペットボトルロケットのノズルは発射台との連結部分も兼ねているのと、推力の大半が水により発生するので、ラバールノズルのような形にはしていないと思います。

ところで、推力についてですが、水ほどは期待できないでしょうがそれなりに推力はあるハズなので、論より証拠ということで先ほど実験しました。

500ミリリットルのペットボトルで作ったペットボトルロケットを4～7気圧の空気のみで飛ばしてみました。角度45度で飛ばしてみたのですが5～10mは飛びますね。

この回答へのお礼

返事が遅くなってしまい申し訳ありませんでした。
わざわざ実験までしていただいてありがとうございます。

音速を超えないことを確認できました。
ありがとうございました。

お礼日時：2008/11/21 18:22

No.2 回答者： rukuku 回答日時： 2008/11/13 20:47

はじめまして

＞空気も圧縮されているため水がなくなった瞬間から極めて短時間ですが
＞空気の噴出もあるはずです。
これは確かにあります。

でも、
＞空気の噴出による推力で
空気の噴出による推力は期待できません。

＞空気の噴出速度が音速を超えてしまうのですが
というのは、空気の推力を期待しての数値だと思います。
「空気の推力」は考えずに、水がなくなった時点で、後は惰性で飛んでいくと考えもいいと思います。

＞4気圧弱
この圧力ならば、自転車の空気入れで実現できます。ボトルの口に合う栓を用意するのが面倒ですが、実際に空気だけで飛ばそうとしてみれば、一番納得いくと思います。
でも、ゴム風船はもっと小さな圧力で、空気の推力で飛んでいけます。この辺は、推力と重量の比でしょう。


以下はペットボトルロケットを試してみるのに参考になりそうなサイトです。
http://yazakipc.hp.infoseek.co.jp/petqa.html
http://www.pcaj-i.jp/play/p_pbr01.html
http://store.shopping.yahoo.co.jp/hishoya/m-p002 …

また、こちらの質問も参考になりそうです
http://oshiete1.goo.ne.jp/qa2334008.html

この回答への補足

ありがとうございます。

http://www.asahi-net.or.jp/~hy9n-knk/sec4.htm
私は上のページを参照しながら計算をしているのですが、(12)式を使って計算した結果10ｍほど距離が延びました。

http://www.asahi-net.or.jp/~hy9n-knk/pet_simu2.htm
こちらのページ下で作者さんが書いている通り、空気の推力も十分大きいと思います。

補足日時：2008/11/13 22:50

No.1 回答者： chie65536 回答日時： 2008/11/13 15:00

ペットボトルロケットは、圧縮空気の圧力を用いて水を噴射し、噴射した水の反作用で飛翔します。

従って、水は噴射しますが空気は噴射しません。

但し、水が下に来るよう噴射口を上にして、下に向かって発射した場合、噴射口から空気だけが噴射されますが、音速を超えるとは思えません。

もし音速を超えるなら、衝撃波が発生する筈で、ペットボトルロケットの飛行実験でそういう事例は聞いた事がありません。

この回答への補足

ありがとうございます。

発射時は水の噴出による推力で飛びますが、空気も圧縮されているため水がなくなった瞬間から極めて短時間ですが空気の噴出もあるはずです。

実験条件としては、タンク内部は7気圧で500mlの水の時です。
水がなくなった瞬間の内圧は4気圧弱で、空気の噴出によって内圧が大気圧まで下がると思います。

補足日時：2008/11/13 15:09