Butelka PET, trochę wody i pompka rowerowa — wystarczy, żeby rakieta wzniosła się kilkanaście metrów w górę z głośnym świstem. To nie zabawka, to miniaturowy demonstrator tych samych zasad fizyki, które wyniosły człowieka na Księżyc.

⚠️ Bezpieczeństwo: Nie przekraczaj 5 barów ciśnienia w butelce PET. Nigdy nie używaj szklanych butelek — mogą eksplodować. Stój z boku podczas pompowania, nie pochylaj się nad rakietą. Startuj na zewnątrz, z dala od okien, przewodów elektrycznych i ludzi. Dzieci powinny przeprowadzać ten eksperyment wyłącznie pod nadzorem dorosłych.

Co nam będzie potrzebne?

  • butelka PET 1,5 l lub 2 l (nowa lub dobrej jakości, bez zarysowań i wgnieceń)
  • korek od wina lub korek gumowy pasujący do szyjki butelki
  • igła do pompowania piłek (taka jak do koszykówki lub roweru ze złączką igłową)
  • pompka rowerowa lub nożna z manometrem (ciśnieniomierzem)
  • grubszy gwóźdź lub wiertło (do zrobienia otworu w korku)
  • woda
  • opcjonalnie: tektura lub plastikowe buteleczki na stateczniki (skrzydełka), stożek z papieru na nos

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Przygotowanie korka. Prześwidruj korek od wina lub gumowy korek wzdłuż jego osi — wystarczy rozkręcony gruby gwóźdź albo cienkie wiertło. Otwór ma być ciasny, żeby igła wchodziła z oporem i uszczelniała się pod ciśnieniem. Wciśnij igłę pompki przez otwór tak, żeby wystawała po obu stronach o kilka milimetrów. Podłącz wężyk pompki do igły.

Krok 2: Załadunek paliwa. Nalej wody do butelki — do około jednej trzeciej objętości. Optymalne wypełnienie to 30–40%: mniej wody = mniejsza masa, ale też krótszy impuls napędowy; więcej wody = większa masa, mniejsze wzniesienie.

Krok 3: Platforma startowa. Weź butelkę za dno i wbij korek szczelnie w szyjkę. Butelka stoi “do góry nogami” (dnem do góry, szyjką ku ziemi) — woda opada do szyjki i będzie wyrzucana pierwsza. Postaw ją pionowo na ziemi, przytrzymaj delikatnie ręką od boku (nie stój nad nią!), albo użyj prowadnic z desek, żeby butelka stała pionowo sama.

Krok 4: Start. Zacznij pompować. Uważaj na manometr — 3–4 bary to zwykle wystarczające. Przy 5 barach butelka PET zbliża się do granicy bezpieczeństwa. W pewnym momencie ciśnienie powietrza wygna korek i wyrzuci wodę z szyjki — rakieta wzbija się w górę. Cofnij się przed startem i nie pochylaj nad urządzeniem.

Krok 5: Ulepszenia. Sklej z tektury trzy równe trójkąty i przyklej je jako stateczniki wokół szyjki (dolnej części rakiety). Stateczniki wyrównują lot — bez nich rakieta często obraca się w powietrzu. Zrób stożek z papieru i przymocuj do dna (górnej części) — zmniejsza opór powietrza i rakieta leci bardziej stabilnie.

Wyjaśnienie naukowe

Rakieta wodna działa na trzecią zasadę dynamiki Newtona: każdemu działaniu odpowiada równe co do wartości i przeciwne co do kierunku działanie. Sprężone powietrze wewnątrz butelki wyrzuca wodę z szyjki w dół z dużą prędkością — to działanie. Reakcją jest siła skierowana w górę, która popycha rakietę do góry. Nie ma żadnej tajemnicy ani magii — tylko pęd. Pęd wody lecącej w dół musi być zrekompensowany przez równy pęd rakiety lecącej w górę. To ta sama zasada co w balonie-rakiecie , tyle że zamiast powietrza wyrzucamy wodę.

Dlaczego woda działa lepiej niż samo powietrze? Dlatego że siła rakietowa zależy od masy i prędkości wyrzucanego czynnika roboczego. Jeden centymetr sześcienny wody waży tyle co tysiąc centymetrów sześciennych powietrza. Wyrzucenie tej samej objętości wody co powietrza daje tysiąc razy więcej pędu przy tej samej prędkości wyrzutu. Właśnie dlatego rakiety kosmiczne niosą tony paliwa i utleniacza — ciężki czynnik roboczy wyrzucany z dużą prędkością daje ogromny ciąg.

Lot przebiega w dwóch fazach. Pierwsza, krótka faza — wodna: sprężone powietrze wyrzuca wodę przez szyjkę w ciągu ułamka sekundy. To główny impuls napędowy, a rakieta osiąga największe przyspieszenie właśnie wtedy. Faza druga — powietrzna: gdy woda się skończy, wciąż sprężone powietrze uchodzi, dając słabszy, ale dłuższy ciąg. Potem rakieta szybuje balistycznie — jak każde ciało wyrzucone pod kątem. Na szczycie trajektorii prędkość pionowa wynosi zero; grawitacja ściąga rakietę z powrotem.

Na podobnej zasadzie działają prawdziwe silniki rakietowe na ciekłe paliwo: ciekły wodór i ciekły tlen (albo nafta i ciekły tlen) są pompowane do komory spalania, produkty spalania wyrzucane przez dyszę z ogromną prędkością (ok. 3–4 km/s). Masa paliwa to zwykle ponad 80% masy startowej rakiety — tyle czynnika roboczego potrzeba, żeby osiągnąć prędkość orbitalną 7,9 km/s. Równanie Ciołkowskiego opisuje ten bilans: im wyższa prędkość wyrzutu i im większy stosunek masy paliwa do masy reszty rakiety, tym wyższa prędkość końcowa.

Warianty

Wyścig rakiet. Zrób dwie identyczne rakiety, ale wypełnij je różną ilością wody — jedną w 20%, drugą w 50%. Odpal je w podobnych warunkach i zmierz, która sięga wyżej. Ile wody daje optimum? Zazwyczaj wygrywa napełnienie ok. 30–40%, ale warto sprawdzić samemu.

Kąt startowy. Pochyl prowadnicę o 60–70° od pionu. Rakieta lecąca pod kątem osiąga mniejszą wysokość, ale dużo większy zasięg poziomy — dokładnie jak przy strzale z procy lub armatki. Zmierz zasięg dla kilku kątów i znajdź ten, przy którym rakieta ląduje najdalej.

Rakieta z odłączaną głowicą. Przymocuj stożek głowicy luźno do dna butelki — tak żeby odpadł na szczycie lotu (prędkość = 0, nie ma siły aerodynamicznej utrzymującej głowicę). Jeśli do głowicy przymocojesz skrawek plastikowej torebki jako spadochron, możesz oddzielnie śledzić lot głowicy i ciała rakiety. To model separacji stopni i kapsuł w prawdziwych misjach kosmicznych.

Często zadawane pytania

Jak wysoko poleci moja rakieta? Przy ciśnieniu 4–5 barów i prawidłowo zbudowanej rakiecie z butelki 1,5 l możesz oczekiwać 10–25 metrów wysokości. Rekordziści z wyspecjalizowanymi materiałami i pompami wysokiego ciśnienia (do ok. 10 barów, w specjalnych butelkach testowanych na wyższe ciśnienia) osiągają ponad 100 metrów. Dla bezpiecznego domowego eksperymentu trzymaj się 3–5 barów i zwykłej butelki PET.

Czy mogę użyć mocniejszej pompki i wyższego ciśnienia? Nie rób tego ze zwykłą butelką PET kupioną w sklepie — jest projektowana na ciśnienie karbonizacji napojów (~4 bary) i nie ma certyfikacji jako zbiornik ciśnienia. Przy większych ciśnieniach butelka może pęknąć. Wyspecjalizowane rakiety startowe budowane przez entuzjastów używają butelek z certyfikatem lub grubszych zbiorników, a starty odbywają się ze specjalnymi mechanizmami zwalniającymi (żeby nie stać przy starcie). Na poziomie domowym 3–4 bary i ostrożność to bezpieczna granica.

Dlaczego rakieta leci krzywo albo obraca się? Dwie najczęstsze przyczyny: brak stateczników (skrzydełek) albo asymetryczne stateczniki. Środek masy powinien być przed środkiem parcia aerodynamicznego — wtedy rakieta leci stabilnie jak strzała. Duże stateczniki blisko szyjki (dołu) i mały, symetryczny stożek na górze to standardowe rozwiązanie. Możesz przetestować stabilność, kręcąc rakietą na długim sznurku nad głową — jeśli leci nosem do przodu, jest stabilna.