Prof. Álvaro Rojas COHETES PROPULSADOS POR AGUA Y AIRE

INTRODUCCIÓN La construcción y lanzamiento de cohetes propulsados o impulsados por agua constituye una experiencia pedagógica de gran utilidad para motivar e introducir a los niños y jóvenes en las leyes del movimiento de los cuerpos y los principios de la astronáutica. El anhelo del hombre por alcanzar las alturas se remonta hasta la muy remota antigüedad donde conseguimos los mitos griegos de Dedalo e Icaro entre otros quienes intentaron conquistar los cielos.

Es el siglo XX con el desarrollo y aplicación de la física newtoniana que abre el camino a la conquista del espacio con los pioneros, el ruso Constantin Tsiolkowsky , el alemán Hermann Oberth y el norteamericano Robert Goddart a comienzos del siglo XX.

Con el advenimiento de la carrera espacial, después de la segunda guerra mundial Rusos y Norteamericanos se reparten a los científicos e ingenieros alemanes quienes habían alcanzado mayor avance en cohetería y desarrollan sendos programas espaciales hasta nuestros días.

Los jóvenes podrán disfrutar de la construcción y lanzamiento de cohetes propulsados por agua cuyo funcionamiento es muy sencillo, se llena la botella con 1

Prof. Álvaro Rojas aproximadamente 1/3 de agua, tapa con un tapón de corcho o goma bien ajustado y la situamos en posición vertical parado sobre sus propias alerones, al corcho se le introduce una aguja gruesa conectada a una manguera delgada a través de la cual introducimos aire a presión con una bomba de bicicleta, cuando la presión es suficientemente grande el tapón se dispara saliendo hacia abajo el agua y el cohete despega alcanzando alturas variables que pueden llegar a unos 80 m. OBJETIVOS Objetivo General  Diseñar un cohete casero para enseñar cinemática y dinámica. Objetivos Específicos  Realizar un diagnostico de los conocimientos de los principios básicos de Dinámica y Estática.  Establecer el cohete como recurso didáctico para enseñar cinemática y dinámica.  Verificar la aceptación de cohete casero como recurso didáctico para enseñar cinemática y dinámica.  Ilustrar lanzamiento vertical ascendente, lanzamiento inclinado, ley de acción y reacción, ley de la fuerza, empuje del cohete, ley de conservación del momentum.  Comprender los principios del movimiento de los cuerpos, mediante la construcción de cohetes propulsados por agua, en los cuales aplicamos los siguientes conocimientos: 

3ª ley de Newton de acción y reacción.



Lanzamiento parabólico.

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Ley de Pascal.

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Caída libre con rozamiento.

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Aerodinámica



Medición de ángulos y trigonometría



Cálculo de Alturas

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Prof. Álvaro Rojas MATERIALES Para el cohete básico 

2 Botellas de plástico PET (2 litros o 1,5 litros)



Tapón de corcho o de goma



Lamina de plástico de caja de archivador o cartón grueso

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Cinta transparente

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Tijeras

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Bomba de bicicleta



Agua

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Aguja gruesa de inflar balones o de recargar tinta de impresora



Manguera transparente de acuario

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Válvula de neumático o caucho de carro

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Cinta métrica



Lamina de cartón negro

Opcional 

Hilo y bolsas de plástico para (paracaídas)



Pinturas de colores (espray)



Cuadrante

CONSTRUCCIÓN DEL COHETE Necesitamos construir un cohete que ofrezca la menor resistencia posible al ascenso a través del aire, para lo cual se necesita darle forma aerodinámica, con un cono o punta y paredes cilíndricas lisas que ofrezcan la menor resistencia posible al aire. Además se deben colocar alerones para que el ascenso sea derecho. Usamos una botella PET (Polietileno Tereftalato) son hechas de un material fuerte de peso ligero de poliéster claro. Se usa para hacer recipientes para bebidas suaves como refrescos, jugos, agua, bebidas alcohólicas, aceites comestibles, limpiadores caseros, y otros.

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Prof. Álvaro Rojas Pasos 1. Se buscan las dos botellas de refresco para hacer el cuerpo del cohete.

2. Luego de haberlas limpiado, a una se le corta la parte superior, es decir el pico o boquilla de la botella.

3. Luego la parte cortada se le pega con cinta plástica a la parte superior de la otra botella.

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Prof. Álvaro Rojas 4. Ya habiendo pegado todo procedemos a pintarlo con el espray negro para el cuerpo del cohete.

5. Teniendo el cuerpo hecho, vamos a hacer las aletas del cohete para que tenga dirección, en este caso utilizamos un cartón duro o plástico.

6. Teniendo las aletas ya cortadas las pintamos con espray antes de pegarlas al cohete.

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Prof. Álvaro Rojas 7. Ya con el cohete y las aletas pintadas podemos pegarlo al cohete con el silicón caliente.

8. El cohete está totalmente armado y está listo para lanzarlo.

9. Para poder impulsar el cohete se necesito la presión de un compresor que le inyecte aire a la botella llena de agua, colocando el corcho para hacer presión.

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10. Para hacer una prueba para ver si sirve el cohete lo lanzamos en un lugar abierto. (las fotos del lanzamiento son las del colegio)

FUNCIONAMIENTO 1ª Fase: El llenado de "combustible" El cohete va a funcionar utilizando como "combustible", un líquido que propulsará el cohete, en nuestro caso, agua utilizando el principio de acción y reacción. En nuestras pruebas la cantidad óptima es alrededor de 1/3 de la capacidad de la botella, para cantidades mucho mayores,(más de la mitad) la botella despegará con gran parte de agua en su interior lo que hará que alcance una menor altura, en caso contrario, si se ha llenado con poca agua, se realiza un menor impulso inicial y también alcanzaremos menor altura, el llenado es pues, una fase importante, debemos, realizar distintas pruebas hasta determinar la cantidad de agua más adecuada. 2ª Fase: El taponado y puesta en marcha Una vez cargada, tapamos nuestra botella con un tapón de corcho o de goma de laboratorio, en el que previamente hemos introducido una aguja de inflador de balones o un canutillo de bolígrafo. Esta es la fase más crítica, en la construcción de los cohetes de agua y de ella depende gran parte del éxito del vuelo, el tapón debe quedar lo más hermético posible, para que en el momento del inflado no pierda agua, además cuanto más apretado este más presión de aire soportará por tanto el impulso inicial y la altura alcanzada será mayor. 7

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3ª Fase: El inflado y despegue Después de taponar bien el cohete y conectar la goma del inflador colocamos, con ayuda de una plataforma, el cohete en posición vertical o inclinada en el caso de que queramos un vuelo parabólico y comenzamos a llenar la botella con ayuda del compresor de bicicleta, debemos tener paciencia porque esta fase puede llevar varios minutos. Al llenar el cohete de aire y comprimirlo estamos aumentando la presión en su interior, cuando la presión llega a un determinado valor el tapón salta y el liquido es desplazado contra el suelo, de esta forma se realiza una fuerza contra el mismo a la que según la tercera ley de Newton se le opone otra fuerza igual y en sentido contrario, esta fuerza es la que hace que los cohetes se eleven. Por lo tanto podemos afirmar, como hemos dicho antes que la altura que toman los cohetes es directamente proporcional a la presión a la que son sometidos los cohetes; esto quiere decir que a mayor presión mayor altura. La presión a la que podemos someter los cohetes está relacionada con lo ajustado que este el tapón, cuanto más ajustado, podremos introducir más aire, y por lo tanto saldrá con mayor velocidad. 4ª Fase: El vuelo y aterrizaje a) El agua sale hacia abajo impulsando los cohetes, y haciendo que estos salgan despedidos; en el momento en que salen su velocidad es máxima, de unos 20 m/s. Como dato curioso es interesante reseñar que la velocidad a la que debe ir un cohete real para vencer el campo gravitatorio terrestre es de 11 km/s. b) Debido al rozamiento con el aire, y sobre todo a su peso que los atrae hacia la tierra debido a la atracción gravitatoria, los cohetes tienen una deceleración de 9,8 m/s² que los va frenando hasta alcanzar una altura máxima (25-100 m), en este momento su velocidad es 0 m/s. c) A partir de este momento los cohetes comienzan a descender, en el descenso se activa el sistema de apertura automática del paracaídas; que hace que el paracaídas se abra y este decelera la caída de los cohetes, que 8

Prof. Álvaro Rojas de esta forma caen con más suavidad evitando así que se dañen y haciendo posible su reutilización. CÁLCULOS En la experiencia podemos aplicar y explicar contenidos como: 

Lanzamiento vertical e inclinado y caída libre



Cálculo de ángulos y alturas



Ley de Pascal sobre fuerzas y presiones en fluidos



Empuje de Cohetes

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Astronáutica y exploración espacial



Fuerza y movimiento



Momento de fuerza



Cantidad de movimiento



Sistemas de referencia

SIMULADORES PARA EL VUELO DE COHETES DE AGUA Water Rocket sim Es uno de los programas más completos para la simulación del vuelo de un cohete de agua. Se pueden ajustar todos los parámetros, incluyendo el diámetro de salida de agua y su eficiencia, el factor de drag, la presión (en atmósferas) , el ángulo de tiro, e incluso el hecho de tener un paracaídas. Lo más sorprendente del programa es el detalle con el que muestra sus resultados: alcance horizontal y vertical, tiempo de vuelo, trayectoria, gráficos de velocidad- tiempo y resultados avanzados como presión inicial y final, temperatura, cantidad de energía, etc. Como complemento realiza un historial con los cambios de diseño o parámetros que efectuamos en los distintos lanzamientos. Tracker Es un paquete de analisis de video construido sobre una plataforma Java Open Source Physics(OSP).Incluye como características; seguimiento de objetos y su posición, velocidad y aceleración laminar, gráficos, filtros con efectos especiales, 9

Prof. Álvaro Rojas múltiples cuadros de referencia, puntos de calibración, líneas de perfil para el análisis del espectro, patrones de interferencia y modelos dinámicos de partículas. PLATAFORMA DE LANZAMIENTO Los cohetes logran un vuelo estable luego de llegar a su máxima aceleración, por lo que es preciso que el cohete mantenga su posición de vuelo hasta llegar a la velocidad necesaria. Equipar el lanzador con rieles de guía de una longitud apropiada permite estabilizar la posición de vuelo y asegurar que el cohete se dirige en la dirección escogida. El lanzador debe ser una estructura sólida con un bajo centro de gravedad para evitar que se mueva durante el lanzamiento. Recomendamos equipar el lanzador con rieles de guía (cada una de 60 - 80 cm de largo) y diseñarlo de modo que sea ajustable, para que el ángulo de lanzamiento se pueda modificar a voluntad.

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Prof. Álvaro Rojas OTRO MODELO DE PLATAFORMA DE LANZAMIENTO Se dispone de una rampa (puede servir como modelo) formada por una mesa que se puede colocar con cualquier ángulo de inclinación entre 0º y 90º. Una plomada permite ajustar este ángulo con una precisión de 1º. Sobre la mesa está dispuesta una guía en forma de U con las dimensiones abajo indicadas. La altura aproximada del punto de salida de la rampa es de 1.5 m y la longitud de la guía es de alrededor de 1.4 m.

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Prof. Álvaro Rojas OTRA PLATAFORMA DE LANZAMIENTO

Base hecha en PVC para el lanzamiento de los cohetes de agua y aire comprimido; apenas comenzaremos a construirla, pero cuando esté lista publicaré las fotos para que puedan verla terminada. Los materiales para construirla son: un manómetro de mínimo 100 PSI, tubos de PVC para presión, codos de 45º, adaptadores macho para poder desenroscar las patas y facilitar su transporte, abrazaderas plásticas y metálicas, "O" ring para evitar la pérdida de presión, racor para hacer la conexión al compresor, tees, cruceta PVC o Tee doble, llave para abortar el lanzamiento y pegamento para PVC.

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