ペットボトルのロケットが飛ぶ原理を詳しく教えてください。

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A 回答 (5件)

これには、作用、反作用の法則について知る必用があります。



作用、反作用の法則とは、
『二つの物体があり、片方がもう片方に力を加えると、力を加えた方も動く』
ということです。
たとえば、
「自分は荷物用台車に乗っていて、手で壁を押した。
すると、自分は台車に乗って壁から離れるように動いた。」
これは、
「自分が壁に力を加えたため、自分も壁から力を加えられた」
と言い換えることが出来ます。
自分→壁 が作用で、壁→自分が反作用、ということになります。

作用と反作用は、
・同一直線上に存在し、
・それぞれの力の大きさは等しく、
・向きは反対である。
のように発生します。

ペットボトルロケットの場合、
水を押し出す力・・・作用
水が押し返す力・・・反作用
となり、ペットボトルロケットは空高く打ち上げられる、ということです。

一般に、水の量はボトルの容積の25%~35%ほどが最適のようです。
参考になるか分かりませんが、少しでも分かっていただけたら幸いです。
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回答じゃないけど。


stomachmanは1981年アメリカ製という水ロケットを持ってます。実に2段式なんですぞ。まだPETボトルが普及する以前のものです。高さ50cm直径5cmほどの赤い透明プラスチック製。とてもきれいで、しかも結構良く飛びます。
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作用反作用の関係で本物のロケットが飛ぶのとまったく同じ原理です。

例えば大きな錘を良く転がる台車などの上で力いっぱい投げるとどうなるでしょう。錘を遠くに投げたはずなのに、錘は投げた位置からあまり動かず、台車に乗った人のほうが投げた方向と反対に動いてしまうはずです。これは錘に慣性(慣性の法則ってご存知ですか?物体は外部から力加えられない限り元の位置にありつづけようとする、また一旦運動をはじめると、外部から力が掛からない限りその方向に運動を続けようとすると言うものです)が働いていてその場所から動くまいとしているからです。ペットボトルの中に入れられた水はボトルの中から動くまいとしているわけですが、ボトルに入れられた空気によって押し出されます。この場合もちろん水も後ろに飛びますが、同じ力でペットボトルも水と反対の方向に押されることになるわけです。じっとしていようとするものを押せば、当然押し返されるのです。実際のロケットでは水ではなく燃料が燃焼したときに出るガスの反作用で飛んでいます。どれだけ大きな推進力を得るかということはどれだけ重い(大量)水やガスをどれだけ速い速度で噴出すかで決まります。
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ペットボトルロケットは、入れた空気でペットボトルの内圧が高まり、ある圧力になると水を押し出します。

この吹き出した水と作用反作用の原理で反対方向に等しい運動量でペットボトルは上に飛んでいくというわけです。高く飛ばすには、如何に内圧を高めて高速に水を噴き出させるか、水の量や空気の入れ方を工夫する必要があります。
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あれは「水ロケット」とよばれるものの1種で、3分の1ほど水が入ったプラスチック容器(ペットボトル)に圧縮空気(自転車の空気入れを利用)を入れ、栓を抜けたとき、噴出する水の勢いでロケットのように飛ぶというものです。

水を入れないとぜんぜん飛びません。飛ばす際、一番問題となのるは水の量で、多ければ噴出時間が長く持続し、遠くまで飛びそうな気がしますが、ロケットの質量が増すので加速されにくくなります。また水が多ければ、その分、圧縮空気を入れる空間が小さくなるので、圧力の低下が激しく、水を噴出する力が弱くなってしまいます。逆に、入れる水が少なすぎると、噴出量が少ないので十分に加速されず飛ばないということになります。

この参考URLでは作り方等の説明があります。またこのロケットの推力には、水の噴出によるものと、水がなくなった後に起きる空気の噴出によるものとがありますが、この力学的説明も載っています。

参考URL:http://www.asahi-net.or.jp/~hy9n-knk/petindex.htm
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Qペットボトルロケットに水を入れる訳は?

昔からの素朴な疑問なんですが、
なぜペットボトルロケットに水を入れる必要があるのでしょうか?
水を入れなければその分、圧縮空気を入れられますから、エネルギーを
を沢山もたせる事ができますよね。
一度に沢山空気が出ないように水を入れているならノズルを絞れば
済む気がするのですが、
なぜ水を入れるのでしょうか?よろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

厳密な話は別として、空気の圧縮エネルギーをバネのエネルギーとすれば直感的に分かりやすいでしょう。

□□>をロケットとして、○を圧縮した空気とします。空気のみでは

発射前:         ○∧∧∧∧□□>

発射後: ←←←←←○/\/\/\/\□□> →

という感じで、本体に対して質量の小さい空気は大きく加速されますが、重いロケットはあまり加速されません。ほとんどがノズルから排出される空気の運動エネルギーへと変換されてしまい損をします。ノズルを絞っても同じだけ空気は加速されてしまいます。

一方、水などを使ってノズルから排出されるものの質量を大きくすると

発射前: ●∧∧∧∧□□>

発射後:←●/\/\/\/\□□> →→→→

のような感じで、軽いロケット本体の方が大きく加速されます。

圧縮空気のエネルギーはトータルでは変りませんが、ロケット本体の運動エネルギーに変るのか、ノズルから排出される空気(+水)の運動エネルギーに変るのかは、それぞれの質量で決まります。特別なことがない限り軽い方がより加速されます。

ペットボトルロケットを飛ばすには、エネルギー源としての圧縮空気と、質量の大きい噴射物が必要となりますが、身近で手に入りやすいものでは水となります。水が少ないと空気ばかりが加速されダメだし、水が多すぎると圧縮空気が足りなくなってエネルギー不足で飛びません。どこかにいいところがあります。

この議論を進めていくと、(発射前の質量/発射後の質量)を大きくすればロケットの速度が大きくなることになりますが、これがまさにロケット推進の特徴になります。

厳密な話は別として、空気の圧縮エネルギーをバネのエネルギーとすれば直感的に分かりやすいでしょう。

□□>をロケットとして、○を圧縮した空気とします。空気のみでは

発射前:         ○∧∧∧∧□□>

発射後: ←←←←←○/\/\/\/\□□> →

という感じで、本体に対して質量の小さい空気は大きく加速されますが、重いロケットはあまり加速されません。ほとんどがノズルから排出される空気の運動エネルギーへと変換されてしまい損をします。ノズルを絞っても同じだけ空気は加速されてしまいま...続きを読む

Qロケットはなぜ飛ぶ?

飛行機やロケットが飛ぶ(進む、前進するの意味)のは、エンジンで燃料を燃やして噴射し、その反作用で飛ぶものと理解しています。

空気中に噴射するならその反作用で飛ぶというのはわかりますが、空気も何も存在しない宇宙空間に噴射してなぜロケットが飛ぶのでしょう?

何も存在しないから、反作用も生じないように思うのですが?

Aベストアンサー

ちょっと文章で説明しにくいので

http://www.nal.go.jp/krc/jpn/about/index.htm

参考URL:http://www.nal.go.jp/krc/jpn/about/index.htm

Qロケットがまっすぐ上に行くのはなぜ?

風船をふくらませてそのまま手を離すと空気が勢いよく出てその反動で飛んでいきます。コースはめちゃくちゃで、弓矢のようには飛んでいきません。その点、ロケットは、種子島などの打ち上げのニュースなどを見るとあまりふらつかないでゆっくり、まっすぐ発射されているように見えます。あれはなぜでしょうか。
風船に比べてとても大きくて重いので安定性があって特に何もしなくてもちゃんとまっすぐ飛んでいくのでしょうか。それとも実は細かく姿勢を直しているのだけどニュース映像ではそこまで見えないのでしょうか、それとも他に何かあるのでしょうか。知っている方いたら教えてください。

Aベストアンサー

こんばんは!

>『ロケットがまっすぐ上に行くのはなぜ?』
>その点、ロケットは、種子島などの打ち上げのニュースなどを見ると
>あまりふらつかないでゆっくり、まっすぐ発射されているように見えます。
>あれはなぜでしょうか。

宇宙に行く場合、つまり地球の引力から離れるためには
「最低速度で地球からの離脱速度が、秒速約12キロメートル」

人工衛星のように地球を周回させる打ち上げ速度は、
「最低速度で地球からの離脱速度が、秒速約8キロメートル」と言う、
驚くほどの高速度が必用と計算上分かっています。
中学もしくは高校の物理の時間に学習しませんでしたか?

それでも機体重量が大きいので発射直後は、
一定の速度に達するまで加速が緩やかなのです。
つまり機体が一定の加速度に達するまでゆっくり上昇しているので、その様に見えるのです。

>それとも実は細かく姿勢を直しているのだけど
>ニュース映像ではそこまで見えないのでしょうか、
>それとも他に何かあるのでしょうか。知っている方いたら教えてください。

ロケットは微妙な姿勢制御技術の完成があってこそ完成したのです。
姿勢制御原理の初歩的な理解を得られるよう簡単な説明を試みます。

ロケットは、実に簡単な原理を応用して姿勢を制御しています。
ただし、制御機器としては実に精密な構造で、
その性能は製造国の最高の科学技術を網羅した製品と言っても過言ではありません。

『地球ゴマ』て、ご存知ですか?
以前私も所有していたので探したのですが出てきません。
出てきたら画像を添付しようと考えていたのですが、
下記アドレスで形状とその原理を確認してください。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%9C%B0%E7%90%83%E3%82%B4%E3%83%9E

本来の話題に戻ります。
『ジャイロ効果』と言って、
「独楽が回転しているときは、外部から力が加わらない限り、一定の方向を向く」
この物理法則を利用しているのです。

ロケット搭載した器機(ジャイロスコープ)のスイッチをオンにして、
発進すると機体内部で発進時の固定された方向を常に自動的に一定に示し続けます。

ところが、機体が傾くとその差をジャイロスコープが検出します。
その機体の傾きを自動的にコンピューターが計算し、
ロケットの噴射口の吹き出す方向の角度を微妙に変えて、
随時傾きを修正しながら定められた飛行計画の進行方向に向け、
飛び続けるから直進飛行ができるのです。

ご理解いただけたでしょうか。
この回答が、ご質問者様の問題解消につながり、
尚且つ知識の一端に納められ、後日必要な時にご質問者さまのお役に立てば幸いです。

最後に『お願い』です。
貴重な時間を割いて回答をしています。
この回答でご質問に対する問題が解消できましたら、
速やかにここのルールに従って、
「回答への補足」「回答へのお礼」などと共にポイントを付けて、
次回の質問でも多くの回答をいただけるように、
回答いただいた方々にも感謝を配慮して対処してください。
できれば読後のご意見など感想をいただけるとありがたいですね。

冗長な回答になりました。
誤字脱字などある場合は、機知にてご判断いただきご笑納ください。

なお、回答後の「お礼」「補足」での再質問には、お答えいたしておりません。
その場合は、再度の新規質問でおねがいします。

こんばんは!

>『ロケットがまっすぐ上に行くのはなぜ?』
>その点、ロケットは、種子島などの打ち上げのニュースなどを見ると
>あまりふらつかないでゆっくり、まっすぐ発射されているように見えます。
>あれはなぜでしょうか。

宇宙に行く場合、つまり地球の引力から離れるためには
「最低速度で地球からの離脱速度が、秒速約12キロメートル」

人工衛星のように地球を周回させる打ち上げ速度は、
「最低速度で地球からの離脱速度が、秒速約8キロメートル」と言う、
驚くほどの高速度が必用と...続きを読む

Q地球の自転、公転の速度

地球の自転、公転の速度を教えてください。
それと光の速さについても教えてください。
お願いします。

Aベストアンサー

 光速を算出するのは少し物理学的な手法が必要ですが、自転公転の速度は(概算でよければ)小学生でも計算できます。

【自転】
 地球一周を赤道上で計るとおよそ4万kmくらいなので、これを24時間で割り算して
 4万(km)÷24(時間)=1666(km/h)
 ちょっと実感がわかない数字なので秒速に直してみると、およそ500m/sくらい(?

【公転】
 これを求めるためには地球が描く軌道の距離が必要です。地球は楕円を描いて太陽を回っていますが、ほぼ円に近いとして。公転距離=2πr×天文単位。
 天文単位は地球では1で、1天文単位=149576960kmと求められているので、公転距離はおよそ939819740kmです。これを365日で割って・・・260万km/day。
 全く実感がわかない数字になったので時速と秒速に直しておきます。時速=10万km/h 秒速=30km/s

 参考URLが時速だけは計算してくれています。今PCの電卓を起動してカタカタやってたんですけど、思ったより無茶苦茶に早いですね。

【光速】
 Maxwell(1831~1879)という物理学者が、理論的に光の速度を導き出したことは有名な史実です。光は、携帯電話やラジオに使われる電磁波(電波)の仲間で、これら電磁波は波長が違っても速度は全て同じ、およそ秒速30万km/sです。電話してても僕らの声が相手に遅れずに届くのも電磁波の速さのお陰?
 上に地球一周の長さ(4万km)を出しましたが、これによると光は1秒で地球を7周半する計算になります。公転自転もべらぼーに早かったですが、さすがに光にはかないません。

 全く話が横道にそれるようですが、かのアインシュタインの相対性理論は「光より速いものは存在しない」ことを前提にした理論であること、また現代の多くの物理学者もアインシュタイン同様「光より速いものは存在しない」と考えていることを付け加えておきます。

 何年生かは存じ上げませんが、そんな些細な疑問がすぐに直結するほど科学(理科)が身近に存在することを知ってもらえたら嬉しく思います。

参考URL:http://www.expocenter.or.jp/shiori/ugoki/ugoki3/ugoki3.html

 光速を算出するのは少し物理学的な手法が必要ですが、自転公転の速度は(概算でよければ)小学生でも計算できます。

【自転】
 地球一周を赤道上で計るとおよそ4万kmくらいなので、これを24時間で割り算して
 4万(km)÷24(時間)=1666(km/h)
 ちょっと実感がわかない数字なので秒速に直してみると、およそ500m/sくらい(?

【公転】
 これを求めるためには地球が描く軌道の距離が必要です。地球は楕円を描いて太陽を回っていますが、ほぼ円に近いとして。公転距離=2πr×天文単位。
 天文...続きを読む

Qなぜロケットは宇宙で進むの?

なぜロケットが宇宙空間で進む事が出来るのか不思議に思い、いろいろ検索をし、見てみますとだいたいが燃料を燃やし発生したガスを噴射しその反作用で進むという事らしいです。
しかし、何も存在しない宇宙の真空空間で何かを噴射しても何に作用するのでしょうか?空気に代わる何かが存在すればその何かに作用し、その反作用で進む事は理解できます。しかし、宇宙空間には何も存在しないしないのでしょ?なぜ進む事が出来るのでしょうか?

Aベストアンサー

簡単なモデルです。

コの字型の容器(左方向の口が開いた容器)をイメージしてください。
この容器の中でロケット燃料を爆発させます。

ロケット燃料は四方八方に―――簡単のため上下左右に―――飛んで行きます。

↑の方向に飛んでいったガスは容器の内壁にぶつかり、ロケットを上方向に押します。
それと同じ分だけ↓方向に飛んでいくガスもあり、同じ力で下方向に押されるので、差し引きがゼロになって、上下方向に移動する事はありません。

→方向に飛んでいったガスは容器の内壁にぶつかり、ロケットを右方向に押します。
一方、←方向に飛んでいったガスは(容器の内壁がないので)、そのまま宇宙空間に飛び去っていきます。(従って、容器は左方向には押されません)

つまり、右方向には押されるけど、左方向には押されないんですね。
結果として、ロケットは右方向に飛んで行く事になります。

※上の考え方では空気が出てくる余地はありませんよね。だから空気の有無は関係ありません。



ちなみに、#11さんの補足にあるペットボトルロケットについてですが、地表にある時と同じ勢いで飛んでいくことでしょう。
ペットボトルロケットの場合も、原理的には上と似たようなものですね。ペットボトルロケットは「ペットボトル内の空気に押されて」飛んで行きます。

簡単なモデルです。

コの字型の容器(左方向の口が開いた容器)をイメージしてください。
この容器の中でロケット燃料を爆発させます。

ロケット燃料は四方八方に―――簡単のため上下左右に―――飛んで行きます。

↑の方向に飛んでいったガスは容器の内壁にぶつかり、ロケットを上方向に押します。
それと同じ分だけ↓方向に飛んでいくガスもあり、同じ力で下方向に押されるので、差し引きがゼロになって、上下方向に移動する事はありません。

→方向に飛んでいったガスは容器の内壁にぶつかり、ロケットを右...続きを読む

Q物理のモンキーハンティングの計算式を教えてください

すみませんが下記の問題の解答はあるのですが、どうしてそうなるかよく分りません。計算と計算の間を省略せずに丁寧に教えていただけないでしょうか? 解答の流れに沿って解らない所に解らないと書き入れます。

(モンキーハンティングの問題)
空中の点Pから小球Bを自由落下させるのと同時に地面の点Oから小球Aを点Pに向けて投げたら、2球は空中で衝突した。OとPとの水平距離をLとし、OPが水平方向となす角をθとする。

(1)Bが地面に当たる前にAと衝突するためにはV0はどんな値より大きくなければならないか。
解答 AがBに当たるまでの時間をt1 とするとV0 COSθ・t1 =Lから
t1=L/V0 COSθ
点Pの地面からの高さは Ltanθであるから、BがAに当たらないとした時、Pから地面に当たるまでの時間をt2とすると1/2gt22乗=Ltanθ
よってt2=√2Ltanθ/g (ルートの中に 2Ltanθ/gが入っています)
題意より、t1 <t2でなければならないから
※ここまでは解ります。次へ至るまでの計算を詳ししく教えていただけないでしょうか?

V0>√gL/sin2θ (ルートの中にgL/sin2θが入っています)


(2)AがBに当たるのは、衝突した点がAの軌道の最高点の場合である。
最高点ではVy=V0 sinθ-gt=0だから、t1の式をこれに代入して
V0 sinθ-g ×L/V0 COSθ=0
※ここまでは解ります。次へ至るまでの計算を詳ししく教えていただけないでしょうか?
よって
V0=√gL/sinθ・COSθ((ルートの中にgL/sinθ・COSθが入っています)
√gL/sinθ・COSθ=√2gL/sin2θ(ルートの中に2gL/sin2θが入っています)


それとGOOで質問する時などの入力方法で下記の仕方をお教えください。
分数を斜線ではなく上下に普通に記す方法、またルートの中に文字を入れる方法もお教えください。

すみませんが下記の問題の解答はあるのですが、どうしてそうなるかよく分りません。計算と計算の間を省略せずに丁寧に教えていただけないでしょうか? 解答の流れに沿って解らない所に解らないと書き入れます。

(モンキーハンティングの問題)
空中の点Pから小球Bを自由落下させるのと同時に地面の点Oから小球Aを点Pに向けて投げたら、2球は空中で衝突した。OとPとの水平距離をLとし、OPが水平方向となす角をθとする。

(1)Bが地面に当たる前にAと衝突するためにはV0はどんな値より大きくなければならないか...続きを読む

Aベストアンサー

(1)Bが地面に当たる前にAと衝突するためにはV0はどんな値より大きくなければならないか。
題意より、t1 < t2 でなければならないから

L/V0cosθ < √(2Ltanθ/g)

V0 > 0
t2=√(2Ltanθ/g > 0
なので、これらで割ったり掛けたりしても不等号の向きは変わりません。
とりあえずV0について解きたいので、両辺にV0と√(g/2Ltanθ)を掛けると

L/cosθ・√(g/2Ltanθ) < V0

左辺のL/cosθを√の中に入れ、Lを1つ約分すると

√(gL/2cosθ^2tanθ) < V0 …(1)

a^nは、aのn乗という意味です。
tanθ = sinθ/cosθより、左辺の分母は 

2cosθ^2tanθ = 2cosθ^2・sinθ/cosθ
          = 2sinθcosθ …(2)

数IIの三角関数で学習する倍角の公式 sin2θ=2sinθcosθ を使って

(2)式 = 2sinθcosθ
    = sin2θ

これより、(1)式は

√(gL/sin2θ) < V0

になります。

(2)
V0sinθ - gL/V0cosθ = 0

をV0について解きます。
- gL/V0cosθ を移項して

V0sinθ = gL/V0cosθ

両辺にV0と1/sinθを掛け、

V0^2 = gL/sinθcosθ

両辺に√をとり

V0 = √(gL/sinθcosθ)

右辺の√の中に2/2を掛け

V0 = √(2gL/2sinθcosθ)

倍角の公式 sin2θ=2sinθcosθ を使って

V0 = √(2gL/sin2θ) 


>それとGOOで質問する時などの入力方法で下記の仕方をお教えください。
分数を斜線ではなく上下に普通に記す方法、またルートの中に文字を入れる方法もお教えください。

これについては申し訳ありませんが、分かりません。

(1)Bが地面に当たる前にAと衝突するためにはV0はどんな値より大きくなければならないか。
題意より、t1 < t2 でなければならないから

L/V0cosθ < √(2Ltanθ/g)

V0 > 0
t2=√(2Ltanθ/g > 0
なので、これらで割ったり掛けたりしても不等号の向きは変わりません。
とりあえずV0について解きたいので、両辺にV0と√(g/2Ltanθ)を掛けると

L/cosθ・√(g/2Ltanθ) < V0

左辺のL/cosθを√の中に入れ、Lを1つ約分すると

√(gL/2cosθ^2tanθ) < V0 …(1)

a^nは、aのn乗という意味です。
tanθ = sinθ/cosθより、左辺の分母は 
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Qペットボトルロケット自作について

ペットボトルロケット自作についてです。
この写真の接着剤はどの接着剤がいいのでしょうか?
エポキシやゼリー状ではなく、商品名で教えてくださると助かります。
詳しい方、実際に自作した方、ご回答よろしくお願いします。

Aベストアンサー

画像の接着剤は一般的なシアノアクリレート系の瞬間接着剤ですが、
ペットボトルの場合素材の関係上、瞬間接着剤もエポキシ系の接着剤も
使えないと思いますが。

ペットボトルロケットのように圧力がかかれば、一瞬で取れてしまいます。


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