Waterraket: theorie & praktijk

Een waterraket maken is een opdracht die duizenden scholieren en studenten krijgen. Hoe moet je er aan beginnen, en vooral, met wat moet je rekening houden? De hoogte die een waterraket bereikt, hangt af van talloze factoren. Hiermee moet één voor één rekening gehouden worden, om een optimaal resultaat te bereiken.

Theorie

Tweede en derde beginsel van Newton

Een waterraket steunt op het principe van de derde wet van Newton, namelijk de wet van actie en reactie. Het is dus van cruciaal belang dat hier, bij het ontwerp van de waterraket, de nodige aandacht aan wordt besteed. De actie– en reactiekrachten hebben steeds twee verschillende aangrijpingspunten. Indien ze het zelfde aangrijpingspunt zouden hebben, zouden ze elkaar immers opheffen. De ‘motor’ van een waterraket bestaat uit een afgesloten drukvat (een fles), waarin water en samengedrukte lucht opgeslagen zijn. De energie wordt geleverd door de lucht, het water zorgt voor de impuls. Door het feit dat de fles onder druk gezet wordt, ontstaat er overdruk. De druk in de fles is dan groter dan de druk in de lucht. Het samengeperste gas drukt dan bijgevolg bij de lancering de vloeistof naar buiten. Door het principe actie-reactie zal de waterraket dan een opwaartse beweging maken. Deze zal sterker zijn bij een grotere kracht. Aangezien volgens de tweede wet van Newton geldt dat F=m.a, is de kracht die een voorwerp ondervindt gelijk aan de massa van het voorwerp maal de versnelling. Het spreekt dus voor zich dat hoe groter de massa is, hoe groter kracht zal zijn. Het is namelijk deze kracht, de reactiekracht, die de raket omhoog zal stuwen. Om een grote hoogte te bereiken is dus een zo groot mogelijke kracht nodig. Vanaf het moment dat er geen gas en vloeistof meer aanwezig zijn in de raket, zal er geen stuwkracht (= ‘actiekracht’) meer zijn. Bijgevolg zal er ook geen reactiekracht meer zijn, en dus zal de snelheid van de waterraket vanaf dat moment afnemen. Op het moment dat de snelheid nul is, heeft de raket zijn hoogste punt bereikt. Door de zwaartekracht zal de raket dalen en dus terug snelheid krijgen. Tijdens de val bereikt de fles een maximale eindsnelheid (= terminale snelheid).

Zwaartekracht

Een minimale massa is vereist om de waterraket een maximale hoogte te doen bereiken.

Aerodynamica

Het is van groot belang dat de waterraket aerodynamisch is. Hoe gestroomlijnder de raket, hoe kleiner de luchtweerstand.

Stabiliteit

Het weer kan een grote invloed hebben op de koers van de waterraket. Om een grote hoogte te bereiken moet de fles absoluut zo verticaal mogelijk stijgen. De weerstand is dan minimaal. Het zwaartepunt is voor de stabiliteit cruciaal. Ook de massa speelt een noemenswaardige rol. Maar vooral vinnen beïnvloeden de stabiliteit. Meer info hierover in het gedeelte ‘praktijk’.

Praktijk

Voor het ontwerp van de waterraket neemt men een standaard petfles. Een spuitwater fles of dergelijke is een betere keuze dan bijvoorbeeld een sinaasappelfles, omdat deze bestand is tegen een hogere druk. Vervolgens verwijdert men eerst en vooral het etiket (geen overbodige wrijvingskrachten). Let op, de fles mag nooit beschadigd worden bij het ontwerp. De minste deuk of scheur kan het hele project doen mislukken. Nu vult men de fles voor 1/3 met water en steekt men een fiets- of autoventiel in een rubberen kurk die met voldoende wrijving in de hals van de fles past. Met een fietspomp pompt men tot de stop eruit knalt. De waterraket vliegt weg.

Aangezien wij een optimaal resultaat willen, gaan we er voor zorgen dat de raket zo goed mogelijk uitgerust is. We willen dus met andere woorden door optimalisering van de raket, de raket zo hoog mogelijk doen vliegen. De druk in de fles kan nog opgevoerd worden door een laag met glasvezel gewapende polyester of epoxy aan te brengen op de fles. Bij een hogere druk zal de waterraket namelijk hoger gaan. Let wel op dat je niet meer dan 10 bar in een petfles pompt, aangezien deze tussen 10 en 12 bar explodeert deze. Dit kan tot ernstige verwondingen leiden! Verder kan men vinnen aanbrengen om de stabiliteit te verbeteren. Een betere stabiliteit leidt namelijk tot een grotere hoogte (minder weerstand). Zonder vinnen gaat de fles gemakkelijk dwarrelen. Met vinnen blijft de bovenzijde van de fles gedurende de vlucht voorwaarts gericht. De vinnen komen in contact met de wind, ze kunnen dus best in contact komen met zoveel mogelijke verschillende windrichtingen. Men kiest echt voor drie vinnen, omdat men bij vier vinnen het probleem krijgt dat de vinnen in elkaars verlengde zullen liggen, en er dus maar contact zal zijn met twee windrichtingen. Bij drie vinnen is er contact met drie verschillende windrichtingen. De vinnen moeten een zo groot mogelijk oppervlak hebben. Aangezien men een minimale totale massa nastreeft, kiezen we voor lichte vinnen. Om de fles aerodynamischer te maken, kan men aan de bovenkant van de waterraket (dit is de onderkant van de fles) een bovenkant, dus de opening, van een andere fles monteren. Zo heb je geen afgeplat, cirkelvormig oppervlak meer, maar een veel aerodynamischere ‘punt’. Deze kan men nog gaan optimaliseren door er een halve bol van te maken. Hiervoor kan een halve tennisbal gebruikt worden. De neus kan men bovendien verzwaren. Volgens de wet van Newton "massa is traag" heeft de waterraket dan wel een kleinere versnelling tijdens de lanceerfase.

Maar door de grotere massa zal de snelheidsafname door luchtweerstand minder snel plaatsvinden. Het is dan mogelijk om (bijna) of meer dan 180 meter hoogte te halen. Voor de rest kan men de waterraket op sommige plaatsen nog ‘afwerken’ met tape, opdat deze nog aerodynamischer zou zijn.