จรวดขวดน้ำ หรือ จรวดขวด PET คือ จรวดที่สร้างจากขวดพลาสติกน้ำอัดลม ใช้แรงขับเคลื่อนด้วยน้ำ (หรือแป้ง) โดยอาศัยแรงดันของอากาศที่บรรจุอยู่ภายใน
ส่วนประกอบของ จรวดขวดน้ำ
1. ขวด PET (Poly Ethylene Terephthalate) : ขวด PET คือ ขวดพลาสติกที่ใช้ในการใส่เครื่องดื่ม หรือน้ำอัดลม เนื่องจากมีคุณสมบัติคือ มีน้ำหนักเบา มีความสามารถในการซึมผ่านของก๊าซต่ำ และที่สำคัญคือมีความต้านทานแรงกระแทกได้เป็นอย่างดี ถ้าหากเราใช้ขวดพลาสติกชนิดอื่น ซึ่งมีความทนต่อแรงดันอากาศต่ำ เมื่อใส่แรงดันอากาศเข้าไป แล้วยิง จรวดขวดน้ำ ก็จะทำให้ จรวดขวดน้ำ ระเบิดได้
2. ฐานยิงจรวดขวดน้ำ : มีอยู่ 2 แบบคือ ประเภทที่ใช้ระบบปลดเร็ว ซึ่งมี adapter ติดกับตัวจรวดขวดน้ำ และ ฐานยิงจรวดขวดน้ำ แบบไม่ใช้ adapter (สำหรับฐานยิงจรวดขวดน้ำ ที่ผมใช้เป็นฐานยิงจรวดขวดน้ำ ของ อพวช. อย่างไรก็ตาม ปัจจุบัน มีคุณครูและมืออาชีพด้านจรวดขวดน้ำออกแบบฐานยิงจรวดขวดน้ำหลายๆ รูปแบบ และมีการจำหน่ายทั้วไปตามอินเตอร์เน็ต)
3. ปีก/ครีบ จรวดขวดน้ำ (Fin) : เป็นส่วนสำคัญที่ช่วยในการบังคับทิศทางของ จรวดขวดน้ำ
4. หัว จรวดขวดน้ำ : รูปร่างของหัว จรวดขวดน้ำ นั้น มีผลต่อแรงต้าน (drag) และตำแหน่งของจุดศูนย์กลางของแรงต้าน (center of drag) และการออกแบบ จรวดขวดน้ำ ต้องคำนึงถึงความปลอดภัยของจรวดขวดน้ำ และสิ่งที่จรวดขวดน้ำ จะชน
นอกจากนี้ยังมีส่วนประกอบอื่นที่เราจำเป็นต้องเรียนรู้ ไม่ว่าจะเป็น ขาตั้งจรวดขวดน้ำ การต่อขวด ปั๊มลม แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของจรวดขวดน้ำ ฯลฯ ซึ่งสามารถหาความรู้ได้จากหนังสือ เว็บไซต์ หรือแลกเปลี่ยนประสบการณ์การทำจรวดขวดน้ำ กับผู้มีประสบการณ์และเป็นมืออาชีพโดยตรง ตามโอกาสต่างๆ
การประดิษฐ์ จรวดขวดน้ำ
1. การเตรียมขวด จรวดขวดน้ำ : ขวดที่ใช้ส่วนใหญ่จะเป็นขวดน้ำอัดลม เล็กหรือใหญ่ก็ได้ เลือกแบบตามชอบ แต่ดูเหมือนขวดแฟนต้า จะมีรูปร่างคล้ายจรวดมากกว่าใคร
2. การเป่าขวด จรวดขวดน้ำ : ส่วนใหญ่จะเป่าที่ก้นขวด เพื่อให้มีปริมาตรมากขึ้น และมีรูปทรงตามต้องการ
3. ปากขวดของ จรวดขวดน้ำ : โดยทั่วไปจะคงไว้ตามเดิม แต่กรณีที่มีปัญหา เช่น ใส่ขวดไม่เข้าเพราะปาก จรวดขวดน้ำ เล็กไปหน่อย หรือโอริงโตกว่านิดหน่อย การแก้ไขในกรณีนี้ เราก็ขยายปากขวด จรวดขวดน้ำ ให้กว้างขึ้นนิดหน่อย ก็เป็นอันเรียบร้อย
4. หัวจรวดของ จรวดขวดน้ำ : หัวจรวดของ จรวดขวดน้ำ เราทำได้หลายแบบ หัวทู่ หัวกลม หัวแหลม ก็ว่ากันไป ขึ้นอยู่กับการทดลองว่าแบบไหนจะเห็นผลมากกว่ากัน แบบนี้ต้องทดลอง
5. หางจรวดของ จรวดขวดน้ำ : บางทีเรียกปีก ฝรั่งเรียก ฟิน รูปแบบที่ใช้ก็มีหลากหลายรูปแบบ ในทางการหน่อย ถ้ามีพื้นที่มากจะมีแรงต้านมากตามไปด้วยต้องทดลอง และวิเคราะห์ดูว่าขนาดและแบบไหนจะดีที่สุด
6. ลำตัวของ จรวดขวดน้ำ : ถ้าไม่เปลี่ยนแปลงก็ใช้ขนาดที่มากับขวด แต่อยากแต่ง ก็จะต้องเป่ากันหน่อย
7. การต่อขวด จรวดขวดน้ำ : นำขวดมา 2 ใบ ทำให้ใบหนึ่งใหญ่กว่าอีกใบหนึ่งเล็กน้อย พยายามที่จะให้อีกใบหนึ่งสวมเข้าไปได้ ตรงรอยต่อให้ขัดกระดาษทราย เพื่อจะได้ติดแน่นเวลาใส่กาว ไม่ต้องใช้กาวแพงก็ได้ ใช้ 502 ก็ได้ เมื่อกาวทั่วดีแล้ว ทิ้งไว้ อย่างน้อย 24 ชั่วโมง จรวดขวดน้ำ ก็จะใช้ได้ดี และแข็งแรงพอที่จะรับแรงดันได้ 60 ปอนด์
หลักการทางวิทยาศาสตร์ เกี่ยวกับจรวดขวดน้ำ
การเคลื่อนที่ของจรวดขวดน้ำ สามารถอธิบายได้ด้วย กฏการเคลื่อนที่ข้อที่สามของนิวตัน (Newton’s Third Law of Motion) ซึ่งอธิบายไว้ว่า “เมื่อมีการกระทำ(หรือแรง)ใดๆ ต่อวัตถุอันหนึ่ง จะปรากฏแรงที่มีขนาดเท่ากันแต่มีทิศทางที่ตรงกันข้าม กระทำกลับต่อแรงนั้นๆ (For every action (force) in nature there is an equal and opposite reaction.)” ยกตัวอย่างง่ายๆ เช่น ให้เด็กคนหนึ่งยืนถือก้อนหินอยู่บนรถเข็นที่ล้อไม่มีความฝืด เมื่อให้เด็กทุ่มก้อนหินออกมา พบว่ารถเข็นจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ตรงข้ามกันกับทิศที่เด็กคนนั้นทุ่มก้อนหินออกมา ซึ่งแสดงให้เห็นว่าเมื่อเด็กออกแรงกระทำต่อก้อนหิน (โดยการทุ่มมันออกมา) ก้อนหินเองก็มีแรงกระทำตอบกลับไปยังเด็ก ซึ่งส่งผลให้รถเข็นที่จอดนิ่งอยู่เฉยๆ เคลื่อนที่ได้ จากกฏการเคลื่อนที่ข้อที่ 3 ของนิวตัน สามารถนำมาอธิบายถึงสาเหตุที่จรวดพลังน้ำสามารถขับเคลื่อนขึ้นไปได้ ด้วยแรงดันลมที่ถูกบรรจุอยู่ภายในขวด จะขับดันน้ำ พ่นออกทางท้ายของจรวด และส่งผลให้เกิดมีแรงในทิศตรงกันข้ามซึ่งถูกเรียกว่า แรงผลัก หรือ Thrusting Force ผลักดันให้จรวดเคลื่อนที่ไปทางด้านหน้าเช่นกัน
นอกจาก thrust แล้ว ยังมีแรงอื่นๆ ที่มีส่วนสำคัญในการเคลื่อนที่ไป หรือต่อต้านการเคลื่อนที่ของจรวดอีก ซึ่งได้แก่ น้ำหนัก (Weight), แรงต้าน (Drag ), และ แรงยก (Lift )
1. น้ำหนัก (Weight) : คือแรงเนื่องจากสนามความโน้มถ่วงของโลกที่กระทำต่อวัตถุ โดยทั่วไปในาการศึกษาเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ เราจะพิจารณาถึง น้ำหนักรวมของวัตถุ (Total weight) ซึ่งเป็นแรงจากสนามความโน้มถ่วงที่กระทำ ณ ตำแหน่ง จุดศูนย์กลางมวล (Center of Gravity)
2. แรงต้าน (Drag) : คือ แรงที่ขัดขวางการเคลื่อนที่ของวัตถุ ผ่านในตัวกลางที่เป็นของเหลว (รวมถึงอากาศ) มีทิศในทางตรงกันข้ามกับทิศทางการเคลื่อนที่ของวัตถุ แรงต้านนี้เกิดเนื่องจากความแตกต่างของความเร็วที่ผิวสัมผัสของของแข็ง ในระหว่างที่มันเคลื่อนตัวผ่านไปในของเหลว ดังนั้นทุกๆส่วนของวัตถุจึงมีผลในการก่อให้เกิดแรงด้านนี้ ดังนั้นในการออกแบบจรวด หรืออากาศยานใดๆ จำเป็นต้องพิจารณาถึงรูปร่างของวัตถุนั้นด้วย
3. แรงยก (Lift) : เป็นแรงที่ทำหน้าที่พยุงอากาศยานให้ลอยได้ในอากาศ แรงยกโดยทั่วไปจะเกิดที่ส่วนของปีก และแพนหาง ที่มีการเคลื่อนที่ และรบกวนในการไหลของอากาศ ให้มีการเบี่ยงเบนทิศทาง ดังนั้นถ้าไม่มีการเคลื่อนที่ก็ไม่เกิดแรงยกขึ้น
กฏความปลอดภัย
จรวดขวดน้ำ PET ถึงจะดูเผินๆ คล้ายของเล่น แต่เนื่องจากมันสามารถวิ่งไปด้วยความเร็ว ไม่น้อยกว่า 76 เมตรต่อวินาที (หรือ 170 ไมล์ต่อชั่วโมง) ดังนั้นในการเล่น จรวดขวดน้ำ PET จึงมีข้อควรระวัง และจำเป็นต้องปฏิบัติตามดังนี้
1. น้องๆ ที่อายุน้อย ควรเล่น จรวดขวดน้ำ ภายใต้การควบคุมอย่างใกล้ชิดจากผู้ใหญ่
2. ไม่ควรปล่อย จรวดขวดน้ำ ในทิศทางที่มีคน หรือกลุ่มคน
3. ไม่ควรเล่น จรวดขวดน้ำ ในที่คับแคบ และใกล้เคียงกับอาคาร รถยนต์ หรือสิ่งหนึ่งสิ่งใดที่แตกหักเสียหายได้จากการพุ่งชนของ จรวดขวดน้ำ
4. ไม่ควรเล่น จรวดขวดน้ำ ใกล้สายไฟฟ้าแรงสูง หรือถนนที่มีรถยนต์วิ่งไปมา
5. ห้ามใช้วัสดุอื่นใดที่ไม่ใช้ขวดน้ำอัดลม (ขวด PET) อาทิเช่น ขวดแก้ว ขวดน้ำดื่มพลาสติก ในการทำตัว จรวดขวดน้ำ
6. ห้ามปล่อย จรวดขวดน้ำ ในที่ที่มีลมพัดแรง ทั้งนี้จะทำให้ จรวดขวดน้ำ เปลี่ยนทิศทาง และก่อให้เกิดอันตรายต่อผู้คนรอบข้างได้
7. ควรมีอุปกรณ์สวมอุปกรณ์ป้องกันศีรษะ และดวงตา ในการเล่น จรวดขวดน้ำ PET
8. ไม่ยิง จรวดขวดน้ำ PET ในบริเวณใกล้เคียงกับสนามบิน หรือที่ที่มีการขึ้นลงของเครื่องบินโดยสาร หรือเครื่องบินขนาดเล็ก
9. ก่อนสูบลมเข้าไปใน จรวดขวดน้ำ ให้ตรวจสอบระบบล็อคให้เรียบร้อยแน่นหนา
10. ในขณะสูบลม อย่าให้มีคนขวางเส้นทางของ จรวดขวดน้ำ เนื่องจาก จรวดขวดน้ำ อาจหลุดออกจากฐานได้ โดยไม่ตั้งใจ
11. หมั่นตรวจสอบอุปกรณ์ของ ฐานยิงจรวดขวดน้ำ , อุปกรณ์สูบลม และส่วนประกอบต่างๆ ของ จรวดขวดน้ำ อย่างสม่ำเสมอ ของแต่ละชิ้น จะมีอายุการใช้งานต่างกัน และมีขีดจำกัดในการรับแรงต่างกัน เมื่อใช้ไปหลายๆ ครั้ง อาจเกิดการเสื่อมสภาพขี้นได้
12. ระมัดระวังเมื่อมีการใช้แรงดันสูงๆ ในการยิง จรวดขวดน้ำ
13. ใช้วิจารณญาณในการเล่นตลอดเวลา ห้ามประมาทอย่างเด็ดขาด
การแข่งขันจรวดขวดน้ำ
สำหรับในประเทศไทย มีการจัดการแข่งขันทั่วไป จากหลายหน่วยงาน ทั้งในระดับโรงเรียน ระดับจังหวัด ส่วนในระดับภูมิภาค โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระดับประเทศ จัดโดย องค์การพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์แห่งชาติ (อพวช.) ซึ่ง อพวช. ได้มีการจัด “ การแข่ง จรวดขวดน้ำ ” เป็นครั้งแรก ในปี 2546 และจัดต่อเนื่องมาจนถึงปัจจุบัน ผู้สนใจดูรายละเอียดได้ที่เว็บไซต์ของ อพวช.
สำหรับกระผม เคยเป็นผู้จัดกิจกรรมแข่งขัน จรวดขวดน้ำ ประเภทยิงไกลและยิงแม่น ในระดับอำเภอ (ลำดวน, สุรินทร์) และได้ส่งเสริมนักเรียนในการทำจรวดขวดน้ำเข้าแข่งขัน จรวดขวดน้ำระดับจังหวัด (จังหวัดสุรินทร์) ประสบความสำเร็จได้รับรางวัลด้วยนะ แต่ก็ไม่ได้พัฒนาและส่งเสริมต่อไปในระดับสูงขึ้น เพราะได้ย้ายไปรับราชการแห่งใหม่ และโรงเรียนแห่งใหม่ก็มีคุณครูฟิสิกส์ ที่ส่งเสริมนักเรียนเรื่อง จรวดขวดน้ำดีอยู่แล้ว
นอกจากนี้ การแข่งขัน จรวดขวดน้ำ ยังเป็นที่นิยมในต่างประเทศ หลายประเทศ เช่น Water Rocket Challenge ในประเทศอังกฤษ Adventures in Science and Technology – The Great Cross – Canada Water Rocket Challenge ที่แคนาดา Japanese Water Rocket Contest ในประเทศญี่ปุ่น ซึ่งเยาวชนไทยนั้น ก็มีความสามารถไปประชันฝีมือ การทำ จรวดขวดน้ำ ในเวทีระดับชาติมาแล้วเช่นกัน
รายละเอียดการแข่งขันระดับประเทศ ติดตามจากเว็บไซต์องค์การพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์แห่งชาติ (อพวช.) : http://www.nsm.or.th/
ขอขอบคุณข้อมูลประกอบการเรียบเรียงจาก :
1. http://hilight.kapook.com/view/15400
2. เอกสารประกอบการแข่งขันจรวดขวดน้ำ โรงเรียนพนาสนวิทยา จังหวัดสุรินทร์
