Bouw een waterraket

Aan het eind van deze week vliegt er iets. Je bouwt de raket, het ventiel en de lanceerbasis, en je schiet hem nog dezelfde middag de lucht in. Je meet nog niet nauwkeurig, maar je meet wél: met een stopwatch klok je de vluchttijd, en daar haal je een eerste hoogte uit. Dat getal is grof, maar het is een echte meting waar je de rest van het project mee gaat vergelijken.

1. 1Kies een petfles van 1,5 L waar frisdrank of spa rood in heeft gezeten. Spoel hem om, laat hem drogen en haal het etiket eraf — onder een etiket zie je geen scheurtjes. Zet er met de watervaste stift een dikke 1 op en zet daarnaast bij élke lancering een streepje: bij tien streepjes is de fles op en gaat hij bij het oud plastic. Fles 1 gebruik je in week 1 en week 2 (samen zes lanceringen) en in week 4 nog drie keer — dan zit hij op negen.
2. 2Laat een volwassene met een houtboor van 8 mm een gat dwars door een wijnkurk boren, met de kurk vastgeklemd in een lijmklem of bankschroef — nooit in de hand vastgehouden, want een boor die grip krijgt in kurk rukt hem rond. Duw daar het ventiel van een oude fietsbinnenband doorheen, met de ronde rubberen voet aan de kant die in de fles komt. Trek er stevig aan: schuift het ventiel, wikkel dan een laagje isolatietape om de steel tot het klemt.
3. 3Knip drie vinnen uit een oude plastic map: driehoeken van ongeveer 10 cm bij 8 cm. Let goed op wáár ze komen. Een waterraket vliegt ondersteboven, met de hals naar beneden, en daarom noemen we de fles in dit project altijd bij zijn eigen onderdelen — hals en bodem — en nooit bij 'boven' en 'onder'. De hals is de staart, de bodem is de neus. Vinnen horen aan de staart: plak ze met ducttape op de halshelft van de fles, op precies gelijke afstand van elkaar en kaarsrecht langs de fles. Schuine vinnen laten je raket draaien in plaats van stijgen.
4. 4Maak de lanceerbasis: prik drie bamboestokken schuin in de grond zodat de omgekeerde fles er rechtop tussen klemt, of zet de hals van de fles in een emmer met natgemaakt zand. De fles moet recht omhoog wijzen en niet omvallen als je de pompslang eraan hangt.
5. 5Vul de fles met 500 mL water (een derde), duw de kurk er stevig in, zet hem op de basis en sluit de pompslang aan op het ventiel. Controleer of de fles kaarsrecht omhoog wijst en niet kan omvallen. Iedereen bril op: jij loopt met de pomp mee naar het eind van de slang, minstens drie meter en schuin opzij van de raket, en iedereen anders gaat tien meter achteruit.
6. 6Pomp rustig door tot de kurk eruit knalt, en roep het aantal bar dat je op de manometer zag op het moment van de lancering. Klok tegelijk met de stopwatch hoe lang de raket in de lucht is, van knal tot landing. Doe dit drie keer.

📏 Noteer: Noteer per lancering drie getallen: hoeveel water erin zat (mL), hoeveel bar er stond op het moment van de knal, en de vluchttijd in seconden. Reken daarna een eerste hoogte uit. De helft van de vluchttijd is de tijd omhoog, en voor vallen geldt h = ½ × 9,81 × t². Bij een vlucht van 4,6 s: t = 2,3 s, dus h = ½ × 9,81 × 2,3² = 4,905 × 5,29 ≈ 26 m. Zet dat getal groot in je schrift — maar schrijf er meteen bij dat het waarschijnlijk te hóóg is. Deze som gaat ervan uit dat omhoog en omlaag even lang duren, en dat klopt niet: een lege fles tuimelt en vangt lucht, dus vallen kost meer tijd dan stijgen. In week 2 ga je met een betere methode kijken hoeveel dat scheelt.

💡 Let op: Schiet de kurk er al bij 2 bar uit, dan zit hij te los: wikkel er een strook fietsband of isolatietape omheen tot hij strakker zit. Blijft hij boven de 5 bar zitten, dan zit hij juist te vást — dat is de gevaarlijke kant. Haal hem er dan (van een afstand, na het aflaten van de druk) uit en maak hem gladder of dunner. Je wilt dat hij tussen 3 en 5 bar loslaat. Lanceer verder op gras en niet op tegels: de raket komt hard terug en een gebarsten fles is meteen afgeschreven.

Je stopwatchgetal uit week 1 is een schatting; deze week ga je echt meten. Met een gradenboog, een rietje en een touwtje bouw je een klinometer, een hoekmeter waarmee landmeters al eeuwen werken. Je gaat op precies 25 meter van de raket staan, meet de hoek waaronder je naar het hoogste punt kijkt, en rekent daar de hoogte uit. Aan het eind van de week weet je niet alleen hoe hoog hij ging, maar ook hoe zeker je daarvan bent.

1. 1Bouw de klinometer: tape een rietje strak langs de rechte kant van een gradenboog, en knoop een touwtje met een moer eraan door het gaatje in het midden van die rechte kant. Het touwtje hangt altijd recht naar beneden — dat is je vaste referentie.
2. 2Oefen op iets wat stilstaat. Kijk horizontaal door het rietje: het touwtje hangt dan bij 90°. Kijk je omhoog, dan schuift het naar een kleiner getal. De hoek waaronder je omhoog kijkt is dus 90° min wat je afleest. Lees je 42°, dan keek je onder 48° omhoog.
3. 3Meet met het meetlint precies 25,0 m af vanaf de lanceerbasis, in een rechte lijn over vlakke grond. Leg er een stoeptegel of stok neer: dit is jouw meetpunt, en je mag daar tijdens een lancering geen stap vanaf.
4. 4Meet je ooghoogte: laat iemand meten hoe hoog je ogen boven de grond zitten als je rechtop staat. Bij de meeste kinderen uit groep 7 is dat rond 1,30 tot 1,45 m. Noteer het op de centimeter nauwkeurig.
5. 5Verdeel de rollen. Eén persoon bedient de pomp aan het eind van de slang, één staat op het meetpunt en volgt de raket door het rietje. Op het hoogste punt knijp je het touwtje vast tegen de gradenboog en lees je rustig af — niet tijdens het vallen, want dan lees je te laag.
6. 6Lanceer drie keer met precies dezelfde instelling als in week 1: 500 mL water, dezelfde druk. Alles hetzelfde houden is deze week het hele punt.

📏 Noteer: Reken van elke lancering de hoogte uit met h = 25,0 × tan(hoek) + ooghoogte. Zet de drie hoogtes onder elkaar, bereken het gemiddelde en trek de laagste van de hoogste af: dat verschil is je spreiding, en die zegt hoe betrouwbaar je meet. Vergelijk het gemiddelde daarna met je stopwatchhoogte uit week 1. Reken erop dat de stopwatch de hoogste van de twee gaf, vaak 20 tot 50 procent hoger — precies zoals voorspeld, want het vallen duurde langer dan het stijgen. De klinometerhoogte is vanaf nu je goede getal; de stopwatch was een prima eerste gok.

💡 Let op: Je raket vliegt bijna nooit kaarsrecht omhoog — de wind duwt hem opzij. Ga daarom zó staan dat de wind dwars op jouw meetlijn waait: dan zweeft de raket naar links of rechts, en dat scheelt in je hoek veel minder dan wanneer hij naar je toe of van je af drijft. Een tweede veelgemaakte fout is meelopen. Één stap naar voren op een lijn van 25 m is al 4 procent verschil in je antwoord.

Nu wordt knutselen onderzoek. Je gaat systematisch variëren: eerst de hoeveelheid water, daarna de lanceerdruk. De gouden regel is dat je per serie precies één ding verandert en al het andere exact hetzelfde laat. Dat zijn achttien lanceringen bij elkaar, negen per serie, en elke serie krijgt zijn eigen verse fles — want tien lanceringen is het maximum dat een fles mag maken. Doe daarom één serie per middag: in één keer ben je uren bezig en ga je slordig meten. Aan het eind heb je een grafiek waarin je ziet dat meer water niet automatisch hoger betekent.

1. 1Serie 1, water. Pak een verse fles, zet er met de stift een 2 op en bouw hem precies zoals fles 1: dezelfde soort kurk, drie even grote vinnen op de halshelft. Laat je raket van fles 1 helemaal heel — die heb je in week 4 terug nodig als versie 1. Lanceer daarna drie keer met 300 mL, drie keer met 500 mL en drie keer met 700 mL, en meet elke lancering met de klinometer vanaf hetzelfde meetpunt van 25,0 m. Dat zijn negen lanceringen: precies wat fles 2 mag maken, dus je hoeft er halverwege de serie niet van te wisselen.
2. 2Belangrijk over de druk: die kún je met een kurk niet instellen. Hij knalt eruit wanneer hij eruit knalt, dus je léést de druk af in plaats van hem te kiezen. Blijf deze hele serie van de kurk af, dan komt hij elke keer rond dezelfde druk los. Noteer bij elke lancering de bar op het moment van de knal, en zet een kruisje bij elke lancering die meer dan 0,5 bar van de rest afwijkt: die telt niet mee in de vergelijking.
3. 3Verander bínnen een serie verder helemaal niets: dezelfde fles, dezelfde kurk, dezelfde vinnen, dezelfde waarnemer op dezelfde tegel. Verandert er per ongeluk toch iets (een vin scheurt, of je moet een beschadigde fles weggooien), schrijf dat op en begin die serie opnieuw met een verse fles — daarvoor heb je die reservefles gekocht.
4. 4Teken de grafiek: hoeveelheid water in mL op de horizontale as, gemiddelde hoogte in m op de verticale as. Verbind je drie punten en kijk naar de vorm. Je verwacht geen rechte lijn maar een berg, met een top ergens rond een derde van de flesinhoud: 300 mL en 700 mL horen allebei lager uit te komen dan 500 mL.
5. 5Serie 2, druk. Pak weer een verse fles, zet er een 3 op en bouw hem hetzelfde — fles 2 heeft zijn negen streepjes staan en die laat je verder met rust. Nu wil je de lanceerdruk júist veranderen, en dat doe je via de kurk: schuur hem dunner of haal er een laagje tape af voor een lagere lanceerdruk, wikkel er een strook fietsband omheen voor een hogere. Lanceer drie keer per kurkstand met de waterhoeveelheid die won, en noteer telkens weer de afgelezen druk. Houd het op drie kurkstanden, dan zit je ook in deze serie op negen lanceringen. Sorteer je lanceringen achteraf op druk in plaats van vooraf: je krijgt zo bijvoorbeeld een groepje rond 3 bar, een rond 4 bar en een rond 4,5 bar. Ga nooit boven de 5 bar en controleer de fles vóór elke serie op krassen en witte plekken.
6. 6Weeg je raket van fles 1 leeg, met vinnen en al, op de keukenweegschaal en noteer het gewicht in gram. Dat is het startgewicht van versie 1, en dat getal heb je in week 4 nodig om versie 2 mee te vergelijken.

📏 Noteer: Maak één grote tabel met de kolommen: water (mL), druk (bar), hoek 1, hoek 2, hoek 3, gemiddelde hoogte (m) en spreiding (m). Vul hem helemaal in en stel jezelf dan de scherpste vraag van dit project: is het verschil tussen twee instellingen groter dan je spreiding? Zo niet, dan heb je nog niets bewezen — dan is het verschil dat je ziet toeval, en moet je vaker lanceren. Dat is geen mislukking maar precies hoe echte onderzoekers werken.

💡 Let op: Waarom is de grafiek een berg? De samengeperste lucht is de veer die duwt, het water is de massa die weggeduwd wordt. Doe je er te weinig water in, dan is de lucht er in een flits uit en heeft de veer bijna niets om tegenaan te duwen. Doe je er te veel in, dan is er nauwelijks lucht om te comprimeren én sleep je een zware fles mee omhoog. Ergens ertussenin ligt het optimum, en dat ligt bij de meeste 1,5-literflessen rond de 400 tot 600 mL. Vind je iets anders, geloof dan je eigen meting en niet dit kadertje.

Je weet nu wat werkt, dus bouw je versie 2 met alles op de beste stand en probeer je het record te breken. Maar het echte spel is een ander: je voorspelt vóór elke lancering hoe hoog hij gaat, en pas daarna meet je. Wie het hoogst komt heeft geluk gehad; wie het beste voorspelt begrijpt zijn raket.

1. 1Bouw versie 2 op een verse fles — nummer 4 — en laat je raket van fles 1 heel: díé is versie 1, en die heb je nodig om tegen te vergelijken. Zet de beste waterhoeveelheid en druk uit week 3, plak een neuskegel van dun karton op de bodem van de fles — de bodem is in de vliegstand de neus, want de fles vliegt met de hals naar beneden — en maak de vinnen zo glad en klein mogelijk. Weeg allebei de raketten leeg en noteer het verschil: elke gram extra kost hoogte.
2. 2Voorspel. Schrijf vóór elke lancering op hoe hoog je denkt dat hij komt, in meters, met een reden erbij. Pas daarna mag je meten.
3. 3Lanceer drie keer met versie 1 en drie keer met versie 2, allebei met de winnende waterhoeveelheid en allemaal vanaf hetzelfde meetpunt van 25,0 m. Reken elke keer de hoogte uit en noteer het verschil met je voorspelling. Verder dan deze zes lanceringen ga je niet: fles 1 komt daarmee op negen streepjes en is dan vol.
4. 4Houd de wedstrijd met precies díé zes lanceringen — je doet er dus geen zes extra bovenop. Geef één punt voor de hoogste vlucht en drie punten voor de voorspelling die er procentueel het dichtst bij zat.
5. 5Reken van je beste vlucht de startsnelheid uit met v = √(2 × 9,81 × h) en zet hem om naar km/h door met 3,6 te vermenigvuldigen. Dat is de snelheid waarmee jouw fles wegging.
6. 6Schrijf één alinea over wat werkte, wat niet werkte en waarom je dat denkt. Een raket die tegenviel maar waarvan je de oorzaak kunt uitleggen is meer waard dan een toevalstreffer.

📏 Noteer: Maak een eindtabel met per lancering: voorspelde hoogte (m), gemeten hoogte (m) en het verschil in procenten, uitgerekend als (gemeten − voorspeld) ÷ voorspeld × 100%. Zet daaronder je hoogterecord in meters en de bijbehorende startsnelheid in m/s én km/h. Dat zijn de drie getallen waarmee je dit project afsluit.

💡 Let op: Reken niet automatisch op een record met versie 2. Een neuskegel van karton weegt zomaar 20 gram, en op een lege raket van 90 gram is dat ruim 20 procent extra massa — dat kost meer hoogte dan de kegel aan luchtweerstand bespaart. Vliegt versie 2 lager, dan is dat geen mislukte week maar een gemeten antwoord: bouw versie 3 met een lichtere kegel en meet opnieuw. Ingenieurs bij echte raketbedrijven doen precies dit, alleen duurder.