בניסוי הנוכחי נבנה דגם זעיר של מנוע רקטי תוך שימוש בגז ממצית כדלק. הניסוי מחייב השגחה של מבוגר!

ציוד

  • כוס חד-פעמית מנייר
  • נייר דבק רחב
  • מצית גז ארוך צוואר
  • מספריים קטנים או סכין יפנית

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

הערה: אסור בשום פנים לכוון את הכוס לעבר אנשים או בעלי חיים!

 

הסבר

אייזק ניוטון (1727-1643) היה מתמטיקאי ומדען שנחשב עד היום לגדול הפיסיקאים בכל הזמנים. בין תגליותיו הרבות ניסח המדען הנודע את הטענה הבאה, הידועה בשם "החוק השלישי של ניוטון":
"בטבע, לכל פעולה יש תמיד תגובה נגדית שווה לה בעוצמתה והפוכה בכיוונה". ניוטון התכוון בניסוח הזה לכוחות, אך בדרך אגב נוכל לספר לכם שבהמשך התגלה שהחוק של ניוטון כללי יותר ותקף גם בהקשרים אחרים בפיסיקה והרבה יותר רחבים מעבר לכוחות – אבל לא כאן המקום לפרט.

אפשר לחוש בקלות בחוק השלישי של ניוטון אם מניחים יד על הקיר ודוחפים אותו בכוח הולך וגובר. מיד נרגיש שככל שאנו דוחפים את הקיר יותר חזק כך גם אנחנו נדחפים חזק יותר לכיוון הנגדי, כלומר הקיר "דוחף" אותנו כאילו היה אדם שמפעיל עלינו כוח. למעשה, אם הרצפה חלקה מספיק, יכול מאוד להיות שנחליק אחורה כתוצאה מהדחיפה שדחפנו בעצמנו – לכיוון ההפוך מהקיר.

החוק השלישי של ניוטון הוא העיקרון שמאפשר לטילים ולמטוסי סלון לנוע – וכך גם למנוע הרקטי הקטן שבניסוי שלנו. אנו ממלאים את הכוס החד-פעמית בגז דליק שנקרא בוטאן, והוא מתערבב עם האוויר שנמצא בכוס. ברגע שאנו לוחצים על כפתור ההדלקה של המצית, הגז נדלק במהירות. מבחינה כימית נאמר שהוא מגיב עם גז החמצן שבאוויר ויוצר גז פחמן דו-חמצני ואדי מים, תוך פליטת אנרגיה רבה שמחממת את כל תוכן הכוס. הטמפרטורה של להבה של גז בוטאן יכולה להגיע עד מעל ל-1,900 מעלות צלזיוס.

כתוצאה מהטמפרטורה הגבוהה שנוצרת לרגע בכוס, הלחץ בתוכה גדל מאוד והגזים נפלטים בעוצמה דרך הפתח הצר שהשארנו. הגזים שנפלטים מכיוון אחד של הכוס מפעילים עליה כוח דחף זהה קדימה, וככה גורמים לה לזוז. ככל שיידחפו מהכוס יותר גזים ובכוח רב יותר כך היא תידחף יותר חזק קדימה, ולהיפך.

הנעה בשיטה הזאת יכולה להביא גופים למרחקים אדירים – מטוסי סילון נעים כך למרחקים של אלפי קילומטרים וטילים נעים במהירות אדירה בין יבשות ואפילו בין כוכבים – והכל בזכות העיקרון של החוק השלישי של ניוטון.

שימו לב שתהליך בעירה יעיל דורש תערובת המכילה גז דליק ביחד עם חמצן. אם תמלאו את הכוס ביותר מדי גז, הבוטאן ידחק את החמצן החוצה ולכן תהליך הבעירה יהיה אטי מדי (בהיעדר די חמצן) והכוס לא תעוף.

מעניין לציין

הכוח שמניע מכוניות נוצר על ידי מה שנקרא "מנוע בעירה פנימית" – מנוע שבו הכוח נוצר על ידי שריפה של תערובת דלק עם אוויר והבערתה על ידי הניצוץ החשמלי של מצתי הרכב. הלחצים שנוצרים בעת השריפה דוחפים בוכנות שמניעות את המנוע, ואיתו את והמכונית.

אנו ממליצים לכם לנסות ניסוי נוסף, שבו בונים מנוע המבוסס על החוק השלישי של ניוטון – מטוס סילון מבלון, וגם את הניסוי איך לנפח בלון בתוך בקבוק שבו מנפחים בלון בתוך בקבוק באמצעות שינויים בלחץ גז בעקבות שינויים בטמפרטורה.

14 תגובות

  • יונתן

    שלום ד"ר אבי סייג

    שלום ד"ר אבי סייג
    אני רוצה להכין מין רקטה , גוף הרקטה יהיה עט או טוש (ריק מהצבע שלו כמובן)
    והדלק שלו יהיה חומר נפץ כמו החומר שעל הקצה של הגפרור
    אם אני אדליק את הרקטה,היא תתפוצץ או תעוף
    בתודה,יונתן גרינברג

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    לא ממליץ לעשות את זה

    היי יונתן, אני מפציר בך לא לעשות את זה. זה נשמע מאוד מסוכן ובאמת עלול להתפוצץ ולגרום לך לכווית ופציעות.
    צילמנו סרט על בנייה בטיחותית של רקטה מגפרור – ואנו נעלה אותו בשבועות הקרובים לאתר.
    באופן כללי מה שקובע אם רקטה תתפוצץ או תעוף זה קצב הבעירה של הדלק שלה:
    לרקטה צריך דווקא חומר שבוער בקצב מתון יחסית, איטי יחסית, אבל לא איטי מדי – כי אחרת הרקטה לא תעוף. לחומר כזה קוראים באנגלית propellant - חומר דוחף.
    חומר שבוער מאוד מאוד מהר – יגרום להצטברות מהירה מדי של גזים בתוך גוף הרקטה, ואז הלחץ שיווצר בה יגרום לה להתפוצץ. חומר כזה נקרא חומר-נפץ explosive.
    בנוסף צריך שהחומר ההדף של הרקטה יבער מהקצה החיצוני שלה פנימה, כי אם כל החומר יבער בבת אחת גם מהחלקים הפנימיים – שוב, יווצר לחץ רב מדי והרקטה תתפוצץ.
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • יונתן

    אני מבין,תודה

  • אסף

    גודל החריץ האופטימלי

    איך ניתן לדעת עבור איזה גודל חריץ הכוס תעוף הכי רחוק. אם החריץ קטן הגזים ייפלטו מהר יותר אך אם החריץ גדול נפח גדול יותר של גזים ייפלט.

    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    באמצעות ניסוי

    הכי טוב לעשות ניסוי ולבדוק מה אופטימלי...
    דרך אגב - בכל מקרה תיפלט אותה כמות של גזים בזמן השריפה.
    מה שגודל החריץ כן משנה הוא את מהירות יציאת הגזים (תחשוב על צינור גינה שאתה מצר לו את פתח היציאה - ככל שפתח היציאה יותר צר, ככה עולה מהירות זרם המים מהצינור).

  • אסף

    אם ככה לא עדיף חור כמה שיותר קטן?

    טוב לדעת, הייתי בטוח שאומנם הגזים/מים בצינור מהירים יותר כשהפתח צר יותר, אך שנפחם קטן יותר. אך אם מדובר באותה הכמות זאת אומרת שאם נעשה פתח מיקרוסקופי גם כן תצא אותה מסה של גזים אך במהירות גבוהה מאוד,ולכן תנע גבוה יותר? או שיש איזושהי סיבה שבגללה מעבר לגודל מסוים ככל שהחור יקטן גם התנע של הגזים ייקטן

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    עד גבול מסויים

    עד גבול מסויים - שכמובן מגודל חור מסויים כבר מהירות יציאת החלקיקים לא תפצה על קוטר החור הקטן, ואז כבר יצאו פחות חלקיקים פר יחידת זמן, ולכן צריך לעשות ניסוי למצוא את קוטר החריר האופטימלי... (כזה שמאפשר מהירות רבה ביותר בלי פגיעה בשטף, כלומר במספר החלקיקים פר-שנייה).

  • אסף

    נוסחה

    האם אין לכך איזושהי נוסחה עם משתנים?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    כמובן שיש

    זה תחום הנדסי שנחקר מכל הכיוונים, ויש נוסחאות לגבי כמעט כל היבט ב'נחיר' של טיל (החל בקוטר וכלה בצורת החתך). אבל - זה נושא הנדסי מאוד ספציפי, ואני לא בקיא בכך כלל. אם תרצה להתעמק - ראה הערך המפורט על צורת הנחיר האופטימלית (בויקיפדיה האנגלית), יש שם גם נוסחאות וקישורים לאתרים רבים אחרים העוסקים בנושא.
    https://en.wikipedia.org/wiki/Rocket_engine_nozzle
    לחלופין - אם נושא זה מאוד מעניין אותך, בטכניון ישנה פקולטה שלמה העוסקת בהנדסת אווירונאוטיקה וחלל (זה שמה), ואולי תוכל לפנות בשאלות ספציפיות לחוקרים שם.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • אורנה

    כיצד לבנות מנוע רקטי - עזרה

    הניסוי מרשים מאוד בסרטון אבל...ניסיתי בבית לפחות 10 פעמים. הצלחתי פעם אחת בלבד. אולי תוכלו לתת לי טיפים להצלחה?
    תודה מראש, אורנה (מורה)

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    הסוד הוא בכמות חמצן מספיקה

    היי אורנה,
    לרוב - באמת הפעם הראשונה מצליחה מצויין, ואחר-כך קשה יותר להצליח. הסיבה היא שאחרי הפעם הראשונה, כל החמצן שבכוס מגיב, והיא מתמלאת בפחמן-דו-חמצני (שכבר לא מאפשר בעירה). אחרי כל העפה של הכוס צריך לאוורר אותה - ולהכניס לתוכה אוויר "טרי" עם חמצן:
    נסי לנשוף לתוף פתח הכוס (זה גם בעייתי כי גם באוויר הננשף יש מחסור בחמצן), להניע אותה במהירות באוויר כאשר הפתח מוביל קדימה, ללחוץ אותה ולגרום לה לגדול חזרה (=להוציא ולהכניס אוויר). ואולי אפילו תסירי את נייר הדבק לצורך האיוורור.
    נקודה שנייה, שגם היא קשורה לחמצן: כמו שכתוב בסוף ההסבר, צריך למצוא את הנקודה המתאימה של תערובת חמצן-גז בוטאן. אם תמלאי את הכוס ביותר מדי (או פחות מדי) בוטאן לא תתרחש תגובת שריפה יעילה. זה תלוי בנפח הכוס שבה את משתמשת, ובמהירות הזרמת הגז של המצית שלך - ולכן כאן אין ברירה אלא לעשות ניסוי עם פרמטרים (משתנים). לבדוק - האם הכוס עפה אחרי הזרמה של שנייה אחת של גז עם המצית שלך?
    האם אחרי 2 שניות, 3 שניות, ..., 10 שניות.. 20 שניות...
    אחרי מספר ניסיונות קטן, אני מניח שתמצאי את הזמן האופטימלי למילוי הכוס בדיוק ביחס חמצן-בוטאן הכי טוב להעפה. (חשוב לאוורר את הכוס אחרי כל ניסוי, גם אם לא התרחשה העפה).
    כמו-כן חשוב להמתין כמה שניות בין המילוי של הגז לבין ההצתה - כדי לתת לגזים להתערבב.

    בהצלחה!
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע.

  • אורנה בן ישראל

    הסוד הוא בכמות חמצן מתאימה

    תודה רבה על ההסבר. אנסה שוב

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

  • אורנה בן ישראל

    כיצד לבנות מנוע רקטי.

    הצלחתי בעזרת העצות שלך! תודה! אורנה