１９９３．８「多段式水ロケット」　飯田洋治　『おもしろ実験・ものづくり完全マニュアル』左巻編　東京書籍　

ホース収縮式本格的２段式水ロケットの完成版です。

  

多段式水ロケット

 

  

　水ロケットは、文句なしに生徒の心をとらえます。運動量保存の法則が実感できるばかりか、何よりもいつも捨て場所に困る身近なプラボトルが水を噴出して飛ぶこと自体が面白いのです。授業はもちろん、学校祭、お楽しみ広場、親子科学広場などでの「水ロケットショー」は観客全員をくぎづけにするに違いありません。『いきいき物理わくわく実験』（新生出版）で紹介した、ゴム栓をボールペンの軸に串刺しにして、ペットボトルの口に差込むだけの水ロケットだけでも、十分見応えがあります。さらに、飛距離の驚くほど大きな一段式、二段式、三段式水ロケットに挑戦してみましょう。

 

〈一段式水ロケット〉

　【飛距離の大幅増と安定した飛行の実現】

 　水道用大口径蛇口とホースのワンタッチジョイントを利用すると、発射時の操作が可能となります。さらに軽い散水用「ワンタッチプラグ」を利用すると、驚くほど高く飛ぶようになります。圧力も７〜８気圧かけても大丈夫です。ボトルの耐圧は９気圧以上。クラス全員が輪になり、「…３，２，１，０」とみんなでカウントダウンして打ち上げればいっそう雰囲気を盛り上げます。

　ボトルをつないでロケット本体を長くし、ボトルを円筒形に切った翼を後に取り付ければ、ノズルの口径が小さくても安定した飛行が実現します。

 

〈一段式水ロケットの作り方〉

　（１）【２個のボトルの底の接着】

　ボトル１本の上下を切って、円筒を作り、２個のボトルの底をそれぞれ切り口にはめ、外からビニーテープを巻いて固定する。

　（２）【先端部】

　先端部のボトルの口からドライアイスを３cm3程入れ、キヤップで封じ、内圧をボトルを手で押して少し凹む程度にガスを抜く。落下時、ボトルが潰れない工夫。安全のため長さ６cm程の発砲スチロールにビニールテープを巻いてキャップの先端に接着する。

　（３）【水噴出部】

　ホームセンターで水道の蛇口とホースのワンタッチジョイント、「大口径蛇口ニップル（オス）」と「コネクター（メス）」を仕入れ（\800程）、オスの方をボトルの口に強く押しつけ、ネジで固定する。

　飛距離を伸ばすには、重い「大口径蛇口ニップル（オス）」の代りに、散水用「ワンタッチプラグ」を使うとよい。これは家庭水道管（3/4ｲﾝﾁ）用ネジ式になっているので、ダイス（3/4インチ）でボトルの口をねじ切りをしてはめる。

　更に飛距離を伸ばすには、ワンタッチプラグの口にサインペンを差し込み、アロンアロハで接着し、口径を小さくする。内径６mmまでは可能。

　(４)　【翼】

　ボトルを４個、図３のように円筒形に切って翼を作り、ロケット本体のボトルの下部に巻きつけビニールテープで固定する。落下時に力がかかる場所はテープを３重にする。（図１）（図３）                     

1.5lボトルで翼をつくると翼がバタつくので、１l又は500mlのボトルの方が良い。翼がないと、ロケットはまっすぐ上に上昇しない。

 　(５)【脱着】

　コネクターに自転車のブレーキワイヤを針金で取り付け、ワイヤを引っ張ってワンタッチジョイントを切り離す。手動も可。

　(６)【発射台とガイド】

　ロケット本体につけた２個のランナーを1. 8mカーテンレール（アンテナ用スタンドで固定）にはめてロケットを誘導する。

　(７)【発射】

　空気入れは目盛つき。水は約1/3程度。空気圧は８気圧。「３，２，１，０」でブレーキワイヤを引くとロケットは勢いよく飛び出す。   

 

 〈多段式水ロケット〉

 

　【空中自動離脱多段式ロケットの開発】

 　空中を飛んでいる最中に、自動的に二段目のロケットを切り離すことができたら、どんなに楽しく素晴らしいことだろう。この魅力にとりつかれてから、私−飯田−は様々な試行錯誤を繰り返し、数年前、次のような方法を開発しました。

　ヒントは一段目のボトルの減圧を二段目のボトルの切り離しに使えないかということ、つまり、圧力がかかると水道のホースが膨らんで二段目のボトルの口に栓をし、減圧するとホースが縮んで切り離しをはかるというアイディアです。１０〜２０m上昇したところでの自動切り離しの時間差はオートバイのバルブにステンレス球（最初は風呂栓についたチェーンの玉、穴をふさいだもの、φ5mm）をつめ空気の戻りを遅らすわけです。これで、飛行中に自動的に２段目のロケットを切り離すことが可能となりました。その後、自転車のバルブにムシ付きセンター金具に遊びをつくり、ムシ圧で空気の戻りを遅らす方法を長久手高校の林さんが開発しました。３段式水ロケットは、２段式の安定した飛行が可能になってから実現しました。この水ロケット開発史は飯田・林の開発競争であり、同時に事実上の共同作業でした。

 〈２段式、３段式水ロケットの作り方〉

（１）　「三矢サイダー」「スプライト」など口径21.5mmのものを利用する。

（２）　ハンダごてでボトル�Tの底に穴をあけ、オートバイのバルブＰが入る大きさまで、リーマーで穴を拡大し、バルブＰ（センター金具は外す）を、ゴムパッキンをボトルの表裏にはさみ、ワッシャを介して外側からナットで固く締めつける。

（３）　〈飯田式〉オートバイのバルブＰの中に、φ5mmステンレス球を入れ、ボールペンの先端金具を被せ、その上から自転車の袋ナットで固く締めつける。ボトルを振ると球が中でカタカタと動く。

　　　　〈林式〉自転車のバルブＰにナットをはめ、ムシ付自転車のセンター金具をいれ、袋ナットとナットを固く互締めにしてセンター金具に遊びを作る。

（４）　バルブＰの外側のネジ切り部に数回ビニールテープを巻き、その上から長さ 3cmのガスホースを被せ、さらにその上から長さ 16cm、外径 21mmの水道のホースを被せ、ホースの外側からホースバンドで固く締めつける。締めつけが弱いと圧力がかかったときこの部分が離れやすいので注意。ホースバンドのうえ1〜1.5cmの位置にステンレスワイヤを１回巻き、ボトル�Uの口がワイヤの中へ入るようにする。針金の出っ張りは金槌でホースの中にたたき込む。このリングは２段目の暴発を防ぐ意味で重要。

（５）　ムシ付自転車のバルブＱの外側のネジ切り部に数回ビニールテープを巻き、その上から、長さ 3cmのガスホースを被せ、これを水道のホースの中に埋め込む。そしてその外側から、ステンレスワイヤで２〜３ヵ所固く締めつける。締めつけた後、先端がボトルの中にスムーズに入るように、針金の出っ張りは金槌でホースの中にたたき込み、ホースの出っ張りはカッターで削りとる。

（６）　「スプライト」などのボトルの上下を切り落とし、ボトル�Tと�Uを繋ぐ円筒形の覆いをつくる。長さはとりあえず、覆いをつけてボトル�Tと�Uを繋いでみて、ボトル�Uの口元がホースバンドに接する位置を探し、覆いの長さを決める。覆いをボトル�Tにビニールテープで固定する。

（７）　ボトル�Uは、１段式ロケットのジョイントを外したものをそのまま利用するが、ボトル�Tにジョイントをつけ、カーテンランナーと翼をつける。

（８）　３段式水ロケットはボトル�Tと同じものを１段と２段の間にはめる。

 

　【特に注意する点】

（１）　今までの主なトラブル

　ほとんどが、高圧がかかったときに生ずるトラブル。いくら強くホースをホースバントで締めたつもりでも、バルブＰＱ（特にＰ）でホースが外れやすい。

（２）　空気を入れているうちに、ボトル�Uがせりあがり、２段目だけが飛び出してしまう。必ずボトル�Uの口元がホースの膨らみを止める針金ｂより１〜２cmほど深く入るようにしておくこと。

（３）飯田式の場合、ホースが長すぎると２，３段の離脱時間が遅くなる。この場合、バルブＱを押込んでホースを短くして調節する。ホースの材質にもよるが膨らむ部分が約１０cmが適当。

　ごく普通の水道のホースは外径が20mm。それにピッタリ合う口径(20.5mm)のボトルは「カルピスソーダ」や「はちみつレモン」など、ボトルの口が白や薄緑のものがよい。「コーラ」や「スプライト」の口径は21.5mm。この場合、外径21mmのホースの入手が必要である。

（４）　バルブＰはオートバイのバルブ。φ5mm球は鉄製はさびるので不可。

（５）実験は、飛距離が大きいので運動場の真ん中で風が弱いときに行う。人や静止した自動車の上に落ちないよう細心の注意を払う。特に先端部のクッションは柔らかいものをつけること。　　　　　　　　　（飯田　洋治）

 

参考文献

「飛んでびっくり水ロケット」 飯田洋治　『いきいき物理わくわく実験』 新生出版　1988.5

「二段式ロケット−水ケットその後−」飯田洋治　『理科教室』　新生出版　1991.３月号

「子どもを魅了する中味を大切に」飯田洋治　『子どもと教育』 あゆみ出版　1992.1月号

「水ケット入門から多段式まで」飯田洋治　『理科教室』　新生出版　1992.7月号

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

　図３のボトル�Tに空気を入れると、オートバイのバルブＰを通ってホースに空気が入り、さらにホースから自転車のバルブＱを通して、ボトル�Uにも空気が入る。ボトル�Uの圧力はホース内の圧力より少し低くなる（Ｑのムシ圧分）のでホースは膨らみ、この膨らみで二段ロケットの水の噴出口を封じる。一段目を発射すると、ボトル�Tは水を噴出しながら減圧する。しかし、オートバイのバルブＰの中にφ5mmのステンレス球（押しピンのプラスチック製の玉でもよい）があるので、ホースから、ボトル�Tへの空気の戻りが遅くなり、ホースの内部は少し遅れて減圧する。全体が10〜20m上がった所でホースが縮みの効果が表われ、二段目が切り離される。この玉は、わずかの時間差をおいて、二段目を切り離すための決定的部分である。