寶特瓶水火箭

你會學到

• 水火箭為什麼會飛：作用力與反作用力、壓縮空氣怎麼變成推力。
• 為什麼水要裝 1/3、頭要重一點、尾翼要對齊。
• 用兩個 600 mL 寶特瓶做一支飛得穩的火箭，並安全發射。

安全守則（動手前一定要讀）

1. 只用碳酸飲料瓶（可樂、汽水）當壓力艙，而且要新的、沒有刮痕、凹痕或發白的。礦泉水瓶、茶瓶不是設計來承受內部壓力的，不能拿來打氣。
2. 打氣筒一定要有壓力錶。建議打 40 psi，最高不超過 60 psi（約 4 bar）。 寶特瓶的耐壓會因刮傷、老化、溫度而變差，壓力要遠低於它可能破裂的程度。
3. 只用冷水和空氣。 不用熱水（熱會讓瓶子變軟、更容易破），不用汽水或任何會產生氣體的東西。
4. 打氣、拉繩的操作者站在發射架的側後方、戴護目鏡，身體不要在火箭的正上方或正前方；能在拉繩上綁一條長繩、站得更遠更好。其他人退到 15 公尺外。
5. 絕對不要對著人、動物、車子、建築物發射，也不要用手拿著火箭發射。
6. 火箭卡住沒發射時，先把氣放掉再靠近。
7. 瓶子飛過大約 10～15 次、或摔出明顯凹痕，就換新瓶。

原理：水火箭為什麼會飛

1. 把水往後推，火箭就往前走

瓶子裡的壓縮空氣把水從瓶口高速往後噴出。火箭推水，水也同時用一樣大的力把火箭往反方向推——這就是牛頓第三運動定律（作用力與反作用力）。也可以從動量守恆來看：水往後帶走多少動量，火箭就得到多少往前的動量。

2. 打氣是在「存能量」

打氣時，你把空氣壓縮進瓶子，等於把能量存在被壓縮的空氣裡。發射後水一邊噴出，空氣一邊膨脹、壓力一邊下降，所以推力在剛發射時最大，接著很快變小，通常不到半秒水就噴完了，之後火箭靠慣性繼續飛。

3. 為什麼水要裝大約 1/3

• 全裝水：空氣只剩一點點，存不了多少能量，火箭又很重，飛不起來。
• 完全不裝水：只噴空氣，空氣太輕，帶走的動量很小，推力很弱。
• 中間最好：NASA 的水火箭教材以約 40% 為典型裝水量，日本的參數研究也得到約 30～40% 射程最遠。600 mL 的瓶子可以先從 200 mL（1/3）開始試，再依實際結果微調。

4. 頭重一點、尾翼大一點才飛得穩

火箭要飛得穩，重心要在前面、壓力中心要在後面。壓力中心是空氣作用在火箭上的力的「平均位置」；尾翼會把它往後拉，前端的 PVC 頭錐有重量，會把重心往前拉。這樣火箭一偏，空氣就會把它「扶正」，像箭的羽毛一樣。但頭不是越重越好：太重會讓火箭飛不遠。

5. 發射角度：理論 45 度，實際要試

如果沒有空氣阻力、而且火箭一離開發射架就有全部速度，45 度射最遠。真實的水火箭離開發射架後還在加速，又有空氣阻力，所以最佳角度不一定剛好 45 度。建議從 45 度開始，每次改 5 度，比比看哪個最遠。

進階（高中）：用公式估算噴水速度和推力

假設水不會被壓縮、忽略摩擦，由白努利方程式可以估算噴水速度：

$$u \approx \sqrt{\frac{2\,(p - p_0)}{\rho}}$$

• $u$：水噴出的速度（m/s）
• $p - p_0$：瓶內壓力比外面大氣壓多出來的部分，也就是壓力錶上的讀數（Pa）
• $\rho$：水的密度，約 $1000\ \mathrm{kg/m^3}$

每秒噴出的水質量是 $\dot m = \rho A u$（$A$ 是噴嘴截面積），推力 $T = \dot m\,u$，合起來：

$$T \approx 2A\,(p - p_0)$$

600 mL 瓶的例子：打到 58 psi（約 $4 \times 10^5$ Pa），噴嘴內徑 8 mm（$A \approx 5.0 \times 10^{-5}\ \mathrm{m^2}$）：

• 噴水速度 $u \approx \sqrt{2 \times 400000 / 1000} \approx 28\ \mathrm{m/s}$
• 推力 $T \approx 2 \times 5.0\times10^{-5} \times 400000 = 40\ \mathrm{N}$，大約是 4 公斤重

這是剛發射那一瞬間的理想值；空氣膨脹後壓力下降，推力也跟著變小。瓶內空氣膨脹很快，可以近似成絕熱過程 $pV^{1.4} =$ 常數，下面的模擬器就是用這個模型算的。

模擬器：先玩再做

拉動滑桿改變水量、打氣壓力和發射角度，按「發射」比比看哪一組飛最遠。最近幾次的軌跡會留在畫面上方便比較。

互動示範：水火箭飛行模擬器

600 mL 寶特瓶 / 9 mm 噴嘴

裝水量 = 200 mL打氣壓力 = 40 psi (2.76 bar)發射角度 = 45°

發射水火箭清除

水平射程

23.6 m

最高高度

6.1 m

飛行時間

2.31 s

最大速度

15.8 m/s

噴水時間

169 ms

模擬估計：未計入水噴完後的空氣推力、風、火箭晃動；真實射程通常比模擬短。打氣請勿超過 60 psi。

爆炸圖：火箭由哪些零件組成

點任何一個零件，看它的材料、尺寸和怎麼固定；按「組合」看裝好的樣子。

互動示範：水火箭構造與零件爆炸圖

點選圖中零件（或按 Tab＋Enter）查看名稱、材料與固定方式

切換為：組合狀態

1. PVC 頭錐2. 壓力艙3. 尾翼座4. 尾翼（3～4 片）5. 噴嘴

狀態：分解圖（上下展開）↑ 飛行方向（頭朝上）

零件 1 / 5

PVC 頭錐

材料

水火箭用 PVC 軟質頭錐

大約尺寸

口徑配合 600 mL 瓶身（直徑約 6.8 cm）

用途

一個零件包辦三件事：尖頭減少空氣阻力；本身有重量，讓重心往前、飛得穩；材質軟，落地時緩衝撞擊

怎麼固定

套在可樂瓶瓶底上，對齊後用電氣膠帶纏 3～5 圈

圖例顏色說明

寶特瓶（透明淡藍）

瓦楞板尾翼（橘色）

PVC 頭錐（紅）

電氣膠帶（深灰）

材料與工具

品項	數量
600 mL 碳酸飲料寶特瓶（可樂、汽水），當壓力艙	每支 1 個
600 mL 寶特瓶（任何飲料），剪下中段當尾翼座	每支 1 個
PVC 水火箭頭錐（口徑配合 600 mL 瓶身），當防撞頭兼配重	每支 1 個
3 mm 塑膠瓦楞板（做尾翼）	每支 A4 一張
電氣膠帶（絕緣膠帶）	每支 1 捲
強力雙面膠	每支 1 捲
水火箭專用快拆噴嘴	每支 1 個
油土（試飛後頭太輕才需要）	少量
快拆接頭發射架	全班 1～2 座
附壓力錶的打氣筒	全班 1～2 支
美工刀、剪刀、切割墊、直尺、奇異筆、紙條	每組 1 套

製作步驟

可樂瓶完整保留當壓力艙，前端套上 PVC 頭錐（防撞頭兼配重），另一個瓶子只剪下中段當尾翼座。

1. 挑瓶、洗瓶：準備兩個 600 mL 寶特瓶，其中一個是沒有刮痕、凹痕的可樂瓶。撕掉標籤，洗乾淨擦乾。 注意：可樂瓶全程不剪、不刮、不加熱。
2. 在第二個瓶子上做記號：在瓶肩下方（離瓶口約 10～12 cm）和瓶底上方（離底約 4～5 cm）各繞一圈膠帶當裁切線。 注意：用膠帶繞一圈比徒手畫線直得多。
3. 剪下中段圓筒：用美工刀沿膠帶邊開一個小口，再換剪刀沿膠帶剪，留下「中段圓筒」當尾翼座，上段和瓶底不用。把切口修平。 注意：美工刀只用來開口，長距離用剪刀，比較不會滑刀割手。
4. 把可樂瓶倒過來：瓶口朝下、瓶底朝上。之後裝水、噴水都從這個瓶口。
5. 套上 PVC 頭錐：把頭錐套在可樂瓶的瓶底上，壓到底。頭錐本身有重量，同時是配重；材質軟，落地時也當防撞頭。
6. 校正頭錐並固定：把火箭平放在桌上滾一圈，確認頭錐沒有歪，再用電氣膠帶在接縫拉緊纏 3～5 圈。 注意：滾動時頭錐會上下晃，就是裝歪了，飛出去會偏。
7. 裝尾翼座：把中段圓筒從下往上套在可樂瓶的下半部，下緣離瓶口螺紋約 2～3 cm，用電氣膠帶固定。 注意：不能蓋到瓶口螺紋，否則噴嘴鎖不上、扣不進發射架。
8. 畫尾翼、裁尾翼：在瓦楞板上畫 3 片或 4 片一模一樣的梯形尾翼（貼瓶邊約 9 cm、外緣約 4 cm、高約 5.5 cm），貼瓶邊多留 1 cm 當黏貼邊，用美工刀加鐵尺裁下。 注意：瓦楞板的條紋方向和貼瓶邊平行，摺邊比較好摺。
9. 摺黏貼邊：用美工刀背沿 1 cm 線輕壓一道痕（不要割斷），摺成 90 度，貼上雙面膠。
10. 量尾翼位置（最關鍵）：拿一條紙條繞尾翼座一圈，剪成剛好一圈長（約 21～22 cm）。
    • 做 4 片尾翼：紙條對摺再對摺，摺痕就是 4 等分點。
    • 做 3 片尾翼：量紙條長度除以 3，做 3 個記號。 把紙條繞回瓶身，照記號在尾翼座上畫出和瓶身平行的直線（可以靠門框或桌邊對齊）。 注意：線畫斜了，火箭會像螺旋槳一樣自轉。
11. 貼尾翼：沿著直線貼上尾翼，再用電氣膠帶把黏貼邊和瓶身包緊。 注意：只用雙面膠遇水會掉，一定要加電氣膠帶。
12. 檢查穩不穩：在空火箭的平衡點（綁繩後能水平吊起的位置）綁一條約 1.5 m 的繩子，到空曠處甩繞圈。頭一直朝前就是穩的；亂轉代表頭太輕，撕開頭錐的膠帶，在頭錐尖端內側塞一點油土壓緊，再套回去重新固定。
13. 鎖噴嘴：把快拆噴嘴鎖緊在可樂瓶瓶口，確認裡面的橡膠墊圈平整。

發射操作（快拆接頭發射架）

1. 把發射架放在平坦空地，用重物壓住底座，調好角度（建議從 45 度開始）。
2. 轉下噴嘴，裝 200 mL 冷水（約 1/3 瓶），再把噴嘴鎖緊。
3. 把火箭的噴嘴扣進發射架的快拆接頭，確認卡緊。
4. 確認前方沒有人、其他人都退到 15 公尺外；操作者戴上護目鏡，拉著發射繩站在發射架側後方。
5. 看著壓力錶打氣，打到 40 psi 就停（最多不超過 60 psi）。
6. 大聲倒數「3、2、1」，拉繩發射。
7. 等火箭完全落地再去撿；記下這次的水量、壓力、角度和射程，下一次只改一個條件。

試射問題排除

狀況	可能原因	怎麼改
飛出去一直自轉	尾翼沒有和瓶身平行，或尾翼太軟	用紙條重新量、重貼；改用較硬的瓦楞板
一離開發射架就翻跟斗	頭太輕、重心太後面，或尾翼太小、脫落	在頭錐尖端內側塞 10～20 g 油土；加大尾翼
很快栽下來、飛不遠	頭太重（加了太多油土）、水太多或太少、壓力不夠	減少頭錐裡的油土；水改回約 200 mL；確認打到 40 psi
往左右飛歪	頭錐裝歪，或風大、發射架晃	拆開頭錐重新滾動校正；壓穩發射架、避開大風
打氣一直漏氣、漏水	噴嘴沒鎖緊或墊圈掉了	檢查墊圈，把噴嘴鎖緊

參考資料

• NASA Glenn Research Center：Flight of a Water Rocket（推力來源、典型裝水量）、Conditions for Rocket Stability（重心與壓力中心）
• MIT Unified Engineering：Water Rocket Lab Notes（噴水速度、推力、絕熱膨脹模型）
• Marimo Labs：Launcher Safety Instructions（碳酸飲料瓶不超過 60 psi／4 bar）
• 東洋製罐：耐壓 PET 瓶（碳酸瓶的花瓣瓶底為什麼耐壓）
• 國家太空中心：2022 全國水火箭比賽簡章
• 國科會臺灣科普環島列車：水火箭示範影片
• 教育部教育大市集：水火箭－製作的步驟