ペットボトルロケットに水を入れる訳は？

質問

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。

回答No.6

ElectricGamo · 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。

お礼

ありがとう直感的によくわかりました。
そうですよね。バネが同じならバネを縮めた時に
蓄えられるエネルギーは同じですもんね。
でも後方にボーリング玉を飛ばすのと、ピンポン玉を飛ばすのとでは
推力がぜんぜん違うのは直感でわかります。ありがとうございました。

回答No.8

mazeran

経験的な例を一つ紹介します。

庭に水道の蛇口に繋がったホースで水を撒いた経験があれば、想像はつきます。
ホースの中に空気が入っていると、その空気の部分がホースの先端から出た瞬間は、ホースから受ける「反力」が小さくなります。
そして次に水が出てくると、ホースをしっかり掴んでないと、ホースが手から抜けてしまいます。

ホースから出てくる圧力は同じですよねェ。
ではなぜそうなるかは、僕より前の方々が答えられている通りです。水の「反作用」です。

質量の大きなものほど、後方に押し出すときに受ける「反作用」は大きくなります。

もう一つ。
船のスクリュー（プロペラ）はなぜ、水（海水）の中に入れて回転させるのか？。
あのスクリューを空中で回しても、恐らく船は進みません。水（海水）の中で回ることで、空気よりも密度の高い水（海水）を後方へ押し出すことで反作用を受けて前進しているのです。

ペットボトルロケットの場合、水を押し出す力は容器の中に押し込めた「空気」です。水が多いと重くなります。
ですから効率良く飛ばすには、空気の量と、水の量のバランスが大切なのです。

お礼

お返事ありがとうございます。mazeranさんに挙げて
頂いた例はこの謎を直感的に理解するのにすごく役立ちました。
あとは論理的に理解するのにもう一歩です。またわからない
事があったらお願いします。

補足

皆様に回答して頂いたお陰でなぜペットボトルロケットに水が必要なのか理解できたつもりです。それぞれお礼は追って書かせていただきます。
とりあえず、まとめてこの場を借りてお礼させていただきます。
皆様ありがとうございました。

回答No.7

ht1914

水は多すぎても少なすぎても駄目です。圧縮空気は水を押し出すために入れられています。ロケットが上に飛んでいくことが大事です。下に水があり、上に空気があります。ノズルを開けると水が飛び出します。水は中の空気に押されて出て行くのです。ロケットはその水の反動で富んでいきます。反動の大きさは飛び出した水の速度と質量の積により決まります。この積のことを運動量といいます。空気だけだと質量が小さいので速度が大きくても運動量が小さくなります。（運動量については物理の教科書を探して読んでみて下さい。ここで使った反動の大きさという言葉は曖昧です。）　作用・反作用の法則と運動の第二法則から運動量保存の法則が出てきます。力が働いている各瞬間について作用・反作用の法則が成り立ちます。働いている力の積み重ねで速度が変化します。変化前の速度と変化後の速度をつなぐ関係が運動量保存則です。宇宙ロケットでも同じ原理です。空気のないところで飛んでいますので空気の反動はありません。水を押し出す代わりに燃料を吹き出しています。高速のガスを得るために爆発的な燃焼を利用しています。
色んな回答が出て混乱すると困りますからこれだけにします。

お礼

お返事ありがとうございます。雲量量ですね。
ペットボトルロケットに蓄えられたエネルギーが同じでも
射出する。物質の運動量が異なる。　
いままで漠然と運動量＝エネルギーではないかと思って降りました。
ひょっとしたら違うのかな？　少し自分で考えて見ます。
行き詰ったら、このサイトにて質問すると思います。またよろしくお願いします。

回答No.5

noname#19341

専門家さんの明回答だらけですね。＾＾

＞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？

水を入れないと、ペットボトルロケットは飛んでくれないからです。＾０＾；

＞ノズルを絞れば済む気がするのですが、

ノズルを絞れば流速は早くなります。
その分、圧力は下がります。

１ｃｍ＾２の面積の力で押すより、
１０ｃｍ＾２の面積で押す方が良いのです。

しかし、これでは空気がすぐに抜けてしまいます。

つまり、高質量物資をノズルから叩き出さないと
フォワード（F）
推力が得られないのです。F=（グラム）

この結果、水を入れる事によってフォワードを効率良く得る事が出来ます。

水がなくなっても、空気の推力は、
現在の推力＋空気の推力－（空気抵抗＋重力（自重）

ですので、無駄にはなりません。

また、水が空気圧力の減少を防止し、
長時間の推力を得る事も可能になります。

＞なぜ水を入れるのでしょうか？

ペットボトルロケットの総質量（ロケット＋水）
と水の質量が近いから。

水が無くなる寸前は相当な推力を期待出来るから。

お礼

お返事ありがとうございます。
皆様のお陰でだいぶ理解が進みました。
ありがとうございます。

回答No.4

globef

下記ページの解説によると

http://www.osaka-c.ed.jp/matsubara/kadai/26ki/kadair06.htm

　風船を例に挙げ

　まずゴム風船に空気を入れて口のところを手で
塞ぎ空気の入ったゴム風船は手を放すと空気を
吹き出しながら飛んで行きます。
　この時風船を動かしている力は、空気を吹き出した
反動による力でこれを推力といいます。
　推力は空気が吹き出される向きとは反対の方向に
働きます。この反対の方向にかかる力が物体を
前へと飛ばすのです。

　これをペットボトルロケットに置き換えると、
まずペットボトルロケットに水と空気入れで
圧力タンク内の内圧を高めます。
　その時、圧力タンク内では水の力と空気の力が
ペットボトルにはたらいていて、つり合いが
取れています。しかしそのつり合いの取れている
状態を風船から手を放すのと同様に発射レバーを
引くことで崩すとペットボトルロケットは
水と空気を噴き出しながら飛び出します。
　この時、作用反作用の力が働いて
ペットボトルロケットが飛びます。

　そして作用反作用の力で飛び出した
ペットボトルロケットは水と空気を後方に
噴射することによって推進力を得、
後方に送り出した水と空気の運動量と等しい
大きさの運動量を前方向きに得る、
これよってペットボトルロケットは前方に飛んで行くのです。

　つまりペットボトルロケットは作用・反作用の原理、と運動量保存の法則で飛んでいるのです。

お礼

おお！　楽しそうなサイトを紹介していただきありがとうございます。
あとでじっくり読んで見ます。
皆様のお陰で直感的にペットボトルロケットに水を入れたほうが
飛ぶのを理解できたと思います。あとは論理的な裏づけです。
その手助けにこのサイトはなると思います。ありがとうございました。

回答No.3

oo14

反作用で動くものですから質量Ｍがきいてきます。
質量は水と空気では８００倍も違いますね。
圧縮されたとしても１００倍以上ですね。

お礼

お返事ありがとうございます。
そうですね。水の質量が重要な鍵をにぎっているようねですね。
回答者みなさまのお陰で直感的には理解できるようになりました。
でも論理的理解にはもう少し時間がひつよな用です。
またよろしくお願いいたします。

回答No.2

0KG00

http://www.dcc.uec.ac.jp/inv80/hatumei_files/inv_text_06-07-22.pdf

空気だけでも飛ぶそうですが、軽いので反動としての水力が弱いのだとか。

お礼

早速のお返事ありがとうございます。
空気だけだと反動が弱いですか・・・・
でもノズルから噴出すものが水だろうと空気だろうと
その運動エネルギーはトータルで同等のものがあるはずですよね。
むしろ水がない分、空気だけの方が高出力ではないのではないでしょうか？
ではペットボトルに詰め込んだエネルギーロケットを打ち上げずにどうなってしまったのでしょう・・・・・？？

回答No.1

AVENGER

効率の良い推進剤になるから。ノズルを絞ると、推力不足になる。

お礼

早速の回答ありがとうございます。
でも、空気だけの方がエネルギーを沢山詰め込めますよね。
それでノズルを絞って、水を適度に入れたときと同じ、時間で
噴射が終わるようにすれば水有りの時より、遠くへ飛べませんかね・・・　また説明いただければ幸いです。