Cohetes de agua

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Cohetes de Agua Cohetes de Agua Manual del Educador Cohetes de Agua - Manual del Educador Organismo de Exploración Aeroespacial del Japón Organismo de Exploración Aeroespacial del Japón
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    14-Mar-2016
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Manual del educador para realizar cohetes de agua, editado por JAXA

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  • Cohetes de AguaCohetes de AguaManual del Educador

    Cohetes de A

    gua - Manual del E

    ducador

    Organismo de Exploracin Aeroespacial del Japn

    Organism

    o de Exploracin A

    eroespacial del Japn

  • Los cohetes de agua son fciles de construir con materiales que se encuen-tran y utilizan en nuestro entorno cotidiano. Observar cmo los cohetes hechos a mano se remontan hacia el espacio a alturas insospechadas intrigar a los nios y estimular su creatividad.

    Los cohetes de agua funcionan bien cuando se construyen sobre bases cientficas. Del mismo modo, cada falla ensea que un concepto cientfico ha sido violado. Por ello es indispensable que antes de empezar los nios compren-dan los fundamentos de los cohetes de agua. Estos artefactos tienen mucho en comn con los cohetes reales, por lo que los nios experimentarn la misma emocin que sienten los ingenieros espaciales.

    Para que los alumnos logren construir cohetes de agua que vuelen alto, recto y en seguridad, mientras se divierten en el proceso, es preciso recordar algunos aspectos clave. Este manual, destinado a los maestros e instructores, est diseado para explicar no slo cmo construir cohetes de agua, sino tam-bin proporcionar los fundamentos necesarios para construir aparatos de buena factura tcnica. En otras palabras, este texto ofrece a maestros e instructores las tcnicas para ensear a los nios los aspectos principales que se deben tomar en cuenta al construir cohetes de agua seguros y de alto rendimiento.

    El manual tambin ofrece consejos sobre la manera de fomentar y mante-ner las motivaciones y aspiraciones de los nios, desarrollando las habilidades que cada uno posee y que pueden ser aprovechadas.

    Sinceramente, esperamos que este manual y el DVD que lo acompaa les ayuden a elaborar programas educativos que permitan a sus nios aprender las bases de la construccin de cohetes de agua y llevar a cabo esas actividades como ingenieros de pequeos cohetes espaciales, impulsados por el sueo de volar teniendo en cuanta al mismo tiempo las cuestiones de seguridad.

    P r l o g o

    Prof. Nobuaki IshiiInstituto de Ciencias Espaciales y Astronutica

    Organismo de Exploracin Aeroespacial del Japn

    Nota: Este manual fue traducido de ingles en espaol dentro del marco del Programa de Educacin (PEE) Espacial de la Division de Ciencias Ecologas y de la Tierra de UNESCO (Paris), con la colaboracin de la Oficina de UNESCO en Quito.

  • Contenido

    Captulo 1 Construccin de cohetes de agua y objetivos pedaggicos 5

    11 Cohetes de agua - pasado y presente 6

    12 Objetivos pedaggicos 9

    Captulo 2 Preparativos para la construccin de cohetes de agua 11

    21 Terminologa del cohete de agua y el lanzador 12

    22 Materiales necesarios para fabricar el cohete de agua y el lanzador 14

    23 Diagrama de construccin del cohete: de la construccin al lanzamiento 19

    Captulo 3 Fabricacin del cohete de agua 21

    31 Qu necesitar 22

    32 Preparacin del aula 23

    33 Proceso para construir el cohete de agua 24

    Captulo 4 Fabricacin del lanzador 31

    41 Planificacin del lanzador 32

    42 Preparacin: Lista de materiales y herramientas 34

    43 Proceso de construccin del lanzador 36

  • Contenido

    Captulo 5 Lanzamiento 39

    51 Preparacin para el lanzamiento 40

    52 Herramientas y equipo necesarios para el lanzamiento 41

    53 Personal de lanzamiento y funciones 42

    54 Organizacin del sitio de lanzamiento 44

    55 Ensayo del lanzamiento 46

    Captulo 6 Principios de la cohetera de agua 49

    61 Principios que rigen los vuelos de cohetes 50

    62 Varias formas de propulsin para cohetes 56

    63 Para asegurar la estabilidad del vuelo 58

    64 Resistencia de las botellas de polietileno tereftalo (PET) 61

    Recursos 62

  • Captulo 1 Construccin de cohetes de agua

    y objetivos pedaggicos

    En este captulo presentaremos la historia de los cohetes de agua, desde sus origenes hasta la actualidad. Luego explicaremos los beneficios que brindan a los nios que aprenden sobre ellos.

  • 61-1 Cohetes de agua - pasado y presente

    En primer lugar examinemos brevemente la invencin de los cohetes de agua y su evolucin hasta nuestros das. Este panorama general podra ser una til introduccin al estudio de su cons-truccin en un colegio, o como actividad comunitaria.

    En la dcada de 1960, el Japn import cohetes de agua de juguete fabricados en Alemania y los Estados Unidos. A mediados de 1980 se realizaron competiciones de cohetes de agua en Escocia.

    Las botellas de polietileno tereftalato (PET) para bebidas gaseosas, que es el material que se utiliza generalmente para fabricar cohetes de agua, fueron empleadas por primera vez en 1974 en los Estados Unidos de Amrica y su uso aument rpidamente a medida que se difundan entre los consumidores. Posiblemente, el primer material impreso acerca de la construccin de cohetes de agua con botellas de PET apareci en la edicin de agosto de 1983 de la revista estadounidense

    Mother Earth News.

    Historia de los cohetes de agua

    Los cohetes de agua en la actualidad

    En la actualidad, la construccin y el lanzamiento de cohetes de agua se realiza de varias ma-neras en distintas partes del mundo. Los modelos de cohetes son populares en los Estados Unidos y escuelas, museos de ciencias, etc.se organizan actividades de construccin de cohetes de agua; se encuentran a la venta diversos modelos de cohetes de agua para armar. En Europa los modelos de cohetes para armar han sido ms populares que los cohetes de agua. Sin embargo, estos lti-mos tienen una larga tradicin en varios pases tales como Inglaterra, Francia y Escocia. En 2001,

    por ejemplo, Inglaterra inici una competicin llamada Water Rocket Challenge.

    En todo el mundo se encuentran aficionados a los cohetes de agua, que intercambian infor-macin sobre diseos originales tanto de cohetes como de lanzadores. Muchos compiten con otros por superar las marcas de altura con el mismo entusiasmo e intensidad que los que disfrutan de los deportes.

    En muchos pases de Asia, entre ellos China, Corea, Filipinas, Indonesia, Sri Lanka, Viet

    Nam, Singapur e India, los cohetes de agua son cada vez ms populares y va en aumento el n-mero de competiciones. En 2005 se emprendi una iniciativa internacional sobre cohetes de agua

    destinado a los jvenes del Asia y el Pacfico, con el propsito de promover la educacin de las ciencias espaciales.

    El Centro de Educacin Espacial JAXA ha introducido los cohetes de agua en Colombia, Chile y Espaa.

  • 7Los cohetes de agua en el Japn

    A comienzos de los aos 1980 se inform acerca de estudios sobre cohetes de agua realiza-dos en el Japn. Se atribuye la fundacin de la cohetera de agua en ese pas a los Sres. Hayashi

    y Iida, maestros de secundaria en la Prefectura Aichi, que inventaron diversos tipos de cohetes de agua con botellas de PET, tales como cohetes de dos etapas y cohetes agrupados (cluster), que combina 25 botellas de PET.

    En 1994, el Club de Jvenes Astronautas del Japn se percat de los aspectos pedaggicos de los cohetes de agua y los adopt como parte de sus actividades. La cohetera de agua se ha di-fundido a travs de todo el pas por medio de las diversas secciones del Club. Otro hito en la historia de los cohetes de agua fue el concurso de ideas celebrado en 1996 en la ciudad de Kakamigahara,

    Prefectura de Gifu, que fue seguido por la creacin de la Asociacin Nacional de Artesana a base de botellas de PET. Tras estos comienzos se empezaron a comercializar modelos de cohetes de agua para armar, lanzadores prcticos, boquillas de seguridad y otros objetos por el estilo, que son utilizados por un creciente nmero de aficionados. Algunos textos escolares sobre materias cientfi-cas comprenden secciones sobre cohetes de agua.

    Cohetes de agua - pasado y presente

    Cohetes de agua para aplicaciones

    A lo largo de los aos se han concebido y propuesto variadas formas de cohetes de agua para distintos propsitos. El tipo de cohete ms simple y bsico utiliza una o dos botellas de PET para hacer el cuerpo, que luego se carga con agua y aire. Para un resultado de vuelo significati-vamente mejorada, predominan dos diseos ms importantes: cohetes agrupados consistentes en un atado de muchas botellas de PET que expelen su agua simultneamente; y cohetes multi-etapa que comprenden dos, tres o hasta ms cohetes colocados uno encima del otro. En los mecanismos se ha incorporado mucho ingenio y conocimientos prcticos, lo que permite que mltiples cohetes funcionen uno tras otro. Algunos cohetes han sido adaptados para que transporten diversas cargas tiles, tales como uno que lleva una cmara para fotografa area y otro cargado con un paracadas para asegurar su recuperacin despus del vuelo. Se han concebido y perfeccionado varios tipos de interruptor, por ejemplo los diseados para permitir que la cmara tome una rfaga de fotos cuando el cohete llega a su apogeo y otros que despliegan el paracadas sin fallar.

    Cohete tipo bsico (una sola etapa)El tipo de cohete ms simple, utiliza una o dos botellas de PET

    Cohete de varias etapasUtiliza dos, tres o ms botellas

  • 8Competiciones de cohetes de agua

    En todo el pas se realizan competiciones de cohetes de agua, auspiciadas por grupos, co-legios y otros. Sus reglas varan mucho. La manera ms eficaz de determinar el desempeo en el aire de los cohetes es una competicin por distancia de vuelo (la distancia horizontal desde el punto de lanzamiento hasta el punto de aterrizaje). Adems de distancia horizontal, existen competiciones de altitud (altura vertical) y duracin del vuelo. Cuando no se dispone de un sitio suficientemente amplio para el lanzamiento, las competiciones se centran menos en la distancia y altura. Un ejemplo sera una competicin de vuelo con un punto fijo durante la cual los participantes intentan aterrizar sus cohetes lo ms cerca posible de un blanco. Cualquiera sea el tipo de competicin, la justicia es de importancia crtica: la cantidad de agua utilizada y la presin de bombeo tienen que ser idnticas para cada uno de los participantes. Como no hay modo de asegurar que el viento afecta por igual a todos los participantes, las competiciones deberan realizarse en condiciones sin viento.

    Adems de las competiciones de desempeo en vuelo, se realizan concursos donde los par-ticipantes son juzgados en trminos de decoracin y diseo. En un gnero llamado competicin de ideas, los participantes son premiados por la calidad del arte, el ngulo de las fotos y vdeos areos, o el desempeo en la recuperacin con paracadas. Estos concursos exigen a menudo niveles tc-nicos muy altos.

    Competiciones de cohetes de agua Competiciones de distancia de vuelo (los cohetes de agua son juzgados por la distancia que

    han volado). Existen dos tipos: programas en que los estndares de presin de aire y de ngulo de lan-

    zamiento son constantes para todos los participantes; y programas en los que los partici-pantes fijan sus propios estndares.

    Competiciones de altitud (los cohetes de agua son juzgados por la altura alcanzada). Competiciones de punto fijo (gana el cohete que llegue ms cerca del blanco). Competiciones de diseo (los cohetes son juzgados de acuerdo a su diseo).

    Cohetes de agua - pasado y presente

    Cohete con paracadas integradoDiseado para desplegar el paracadas en vuelo para permitir la recuperacin del cohete y su carga

    Cohete de tipo experimentalToma fotografas areas mediante cmaras de imagen fija o de vdeo

  • 91-2 Objetivos Pedaggicos

    Actualmente, la construccin de cohetes de agua tiene una amplia gama de aplicaciones, de programas educativos en escuelas y colegios a eventos comunitarios y otras iniciativas, cuya meta es interesar a los estudiantes y nios pequeos en la ciencia.

    La cohetera de agua es un tema verdaderamente atractivo para los nios. Los cohetes pue-den despertar y desarrollar su curiosidad, ampliando los horizontes de su aprendizaje y experiencia ms all de la ciencia. En la etapa inicial, el inters de los nios se centrar en cun lejos pueden volar sus cohetes. Luego empezarn a pensar en lo que pueden hacer para mejorar el desempeo del vuelo. En el proceso de poner en prctica su ingenio y lograr sus objetivos, adquirirn la habili-dad para resolver problemas. Adems, pueden experimentar un gran sentido de logro y satisfaccin luego de haber construido con xito sus propios cohetes.

  • 10

    3. Destrezas y experiencia de experimentacin y observacin Apreciar el disfrute de la creacin y el logro Apreciar la utilidad de las herramientas Adquirir destrezas y modos de usar herramientas de manera apropiada y segura Adquirir habilidad para organizar y registrar actividades Desarrollar las capacidades de diseo Adquirir habilidad para pasar del diseo a la realidad Adquirir habilidad para hacer volar un cohete de acuerdo a principios cientficos Adquirir habilidad para predecir y verificar resultados Apreciar la importancia de intercambiar informacin y cooperar entre amigos

    4. Conocimientos y entendimiento Comprender las caractersticas cientficas del agua, aire y otras materias que damos por sentado en nuestra vida cotidiana. Comprender las funciones del agua y del aire en la propulsin vertical del cohete Comprender la diferencia entre cosas hechas por la naturaleza y las artificiales Comprender que las metas se logran mediante la cooperacin entre cientficos e ingenieros

    Aspiramos a que los maestros e instructores fijen objetivos viables, adaptados a la edad y el nmero de nios participantes, y que disfruten al construir y lanzar cohetes de agua seguros pero eficaces.

    DESTREZAS Y HABILIDADES INDIVIDUALES QUE SE ESPERA SERN ADQUIRIDAS

    1. Inters, actitud positiva, etc. Sentir y experimentar con diversas potencias de agua y aire Inters o curiosidad por elementos y fenmenos encontrados en la vida cotidiana Desarrollar el espritu de investigacin Desarrollar habilidad para llevar a cabo lo que emprende hasta terminarlo Experimentar la satisfaccin del xito Experimentar la importancia del trabajo en equipo y de la responsabilidad individual como miembro de un equipo

    2. Pensamiento cientfico Descubrir la relacin entre teora y prctica Desarrollar una mente positiva Hallar los medios de superar las dificultades y problemas

    Objetivos Pedaggicos

    Las destrezas y habilidades que pueden ser fomentadas a travs de iniciativas con cohetes de agua son las siguientes:

  • Captulo 2Preparativos para la construccin de

    cohetes de agua

    En este captulo se presenta la terminologa de los cohetes de agua, as como los materiales, herramientas y equipo necesarios para construir el cuerpo y el lanzador del cohete.

  • 12

    Terminologa del cohete de agua

    Cuerpo (depsito de agua):Contiene agua y aire a presin

    Cono de la nariz: Punta o cabeza del cohete de agua

    Cojn:Reduce los daos delcohete cuando retornaa tierra

    Lastre (plastilina): Mantiene la estabilidadaerodinmica durante el vuelo

    Aletas:Se fijan a la partetrasera del cuerpodel cohete paraasegurar la estabilidadaerodinmica duranteel vuelo

    Boquilla: Pieza por la cual sale el agua del coheteSe enrosca en el pico de la botella PET

    Falda (cilindro con aletas de la cola): La parte donde se fijan las aletas.

    2-1 Terminologa del cohete de agua y el lanzador

  • 13

    Lanzador: Dispositivo desde el cual se lanza el cohete

    Rieles gua: Dan soporte al cohete de agua hasta quesu vuelo se estabiliza. Cada uno deberamedir de 60 a 80 cm.

    Graduador de ngulode lanzamiento:Permite medir el ngulo de lanzamiento

    Terminologa del lanzador

    Terminologa del cohete de agua y el lanzador

    Dispositivo de lanzamiento:Dispositivo hecho a mano para lanzar el cohete de agua. Se construye conectando un acople prefa-bricado (donde se fija la boquilla) a un manubrio de freno de bicicleta.

  • 14

    2-2 Materiales necesarios para fabricar el cohete de agua y el lanzador

    Materiales y herramientas bsicas

    Materiales que se necesitan para construir un cohete

    2 botellas de PET (para bebidas gaseosas).Consiga dos botellas de PET vacas, limpias y secas, y quteles las etiquetas. Una botella se

    utilizar para el cuerpo del cohete y la otra para el cono de la nariz.Generalmente se aconseja usar botellas redondas (cilndricas) de 1,5 litros, pero tambin se

    pueden usar botellas ms pequeas de 500 mililitros. Sin embargo, las botellas de PET tienen que ser las que contienen bebidas gaseosas ya que stas pueden soportar mayores presiones que las botellas usadas para bebidas no gaseosas. Las botellas tambin tienen que ser lisas y exentas de daos. Cuando lanza su cohete, la presin de aire no debera exceder 7 atmsferas. Por seguridad, se recomienda usar entre 4 y 5 atmsferas (1 atmsfera equivale a 14696 psi libras por pulgada cuadrada, los manmetros normalmente miden en psi)

    Tcnicamente hablando, nicamente la botella con la cual se fabricar el cuerpo del cohete tiene que ser de bebida gaseosa, ya que el cuerpo estar bajo presin, no as el cono. La otra bo-tella, que se utilizar para el cono de la nariz, puede ser de otros tipos de bebidas. Sin embargo, para evitar confusin durante el proceso de construccin del cohete, es mejor usar dos botellas de bebidas gaseosas.

    Botellas apropiadas paracohetes de agua

    (cilndricas y para uso de bebidas gaseosas)

    Tipos de botellas no apropiadas para cohetes de agua

    (utilizar nicamente botellas cilndricas)

  • 15

    Lmina de PVC (o cualquier lmina delgada de plstico flexible pero fuerte) 10cm. x 20cm.

    1 Carpeta plstica, tamao carta, aprox. 21,6cm. x 27,94cm. (A4)

    Plastilina o arcilla para moldear, aprox. 50g.

    1 bolsa plstica (para el cojn: bolsa de basura con capacidad para 45 litros)

    Para fabricar las aletas, consiga una lmina de PVC de 1-2 mm. de espesor. Puede encontrarlas en una

    tienda de manualidades. Si no consigue lminas de PVC, puede sustituirlas con cualquier tipo de plstico delgado, flexible pero fuerte, tal como las tabletas de poliestireno que se usan para asentar papeles para escribir.

    Se utiliza para hacer el faldn. Disponible en cual-quier papelera, etc.

    Plastilina o arcilla para moldear para el lastre. Si va a fabricar varios cohetes al mismo tiempo, por ejemplo como proyecto para el colegio o la escuela, conviene preparar con anticipacin un nmero apro-piado de bolas individuales de plastilina o arcilla para moldear, de unos 50 g cada una.

    Dentro del cono de la nariz se coloca una bolsa de basura como cojn para absorber el impacto cuando el cohete retorna a tierra. Utilice en cada cohete una bolsa de basura de plstico de 45 a 70 litros de capacidad.

    Materiales necesarios para fabricar el cohete de agua y el lanzador

  • 16

    Materiales necesarios para fabricar el cohete de agua y el lanzador

    Cinta adhesiva de vinilo

    La cinta adhesiva de vinilo se utiliza para unir par-tes y materiales. Los nios pueden combinar una variedad de cintas de varios colores para crear sus propios diseos coloridos.

    Como medida de seguridad, recomendamos firme-mente el uso de conectores de produccin masiva. Aunque se podra utilizar un tapn de caucho, se corre el riesgo de que ste falle cuando aumenta la presin de aire; esta posibilidad los convierte en una mala opcin en materia de seguridad. Adems, los conectores disponibles en el mercado se pue-den utilizar repetidamente.

    El tipo de tijeras como las que se muestran se uti-lizan para la mayora de los cortes, tales como las aletas, el faldn y el cono de la nariz. Tambin se encuentran tijeras especiales para botellas de PET.

    Boquilla

    Tijeras

    Herramientas y equipo

    Mientras que la mayor parte del trabajo de corte se puede realizar con un par de tijeras co-munes, para cortar el cono de la nariz de la segunda botella de PET se utiliza un cortador o tijeras especialmente diseadas con puntas afiladas. Aconsejamos tomar toda clase de precauciones al manejar estas herramientas.

  • 17

    Se utiliza un cortador al hacer el cono de la nariz. Debe explicar a los nios la manera apropiada de sostener el cortador, cmo manejar otras herra-mientas, y ensearles otras precauciones para reducir al mnimo cualquier peligro de lesin.(Es aconsejable que slo los adultos utilicen el cortador, ellos podrn hacer los cortes que generen riesgo para los nios.)

    Cortador

    Cuando utilicen el cortador los estudiantes deben hacerlo sobre un tapete o una tabla para cortar para proteger sus escritorios.

    Tapete para cortar

    Si se va a fabricar los cohetes en un aula, el gimna-sio u otro sitio similar, puede colocar una lmina de madera contrachapada sobre el escritorio de cada estudiante o en el suelo, para evitar daos al mue-ble o el suelo de madera.

    Madera contrachapada

    Se utiliza un marcador permanente es para dibujar las lneas de gua para los cortes y los nombres en las botellas de PET. El uso de marcadores de diver-sos colores puede aumentar el disfrute del proceso de fabricacin, ya que permiten que sus estudiantes adornen los cuerpos de sus cohetes.

    Marcador permanente

    Materiales necesarios para fabricar el cohete de agua y el lanzador

  • 18

    Materiales necesarios para fabricar un lanzador

    Materiales necesarios para fabricar un lanzador

    El lanzador que describimos en este manual es simple de fabricar y para ello se utilizan ma-teriales y herramientas que se encuentran en la vida cotidiana. El lanzador est diseado para ser ajustable, por lo que puede fijar el ngulo de lanzamiento segn lo desee.

    Planchas de madera: 2 tipos de cada una para el riel de gua y secciones de la baseEstas planchas de madera constituyen las secciones principales del lanzador. Se recomienda utilizar materiales fuertes y durables tal como la madera contrachapada hidrfuga.

    Varillas cuadradas de madera: 4 piezas Estas varillas cuadradas se utilizan como rieles de gua

    Bisagras: 2 unidadesSe usan para conectar las tiras de madera a la seccin de la base

    Ganchos y anillos de tornillo: 2 de cada unoSe usan para conectar la seccin del riel de gua a la seccin de la base

    Graduador, hilo para cometas, pesa, tachuelaSe utilizan para construir el mecanismo que determina el ngulo de lanzamiento

    Cadena: 1 piezaUtilizada para fijar el ngulo de lanzamiento

    Clavos, cola o goma, cinta adhesiva de vinilo

    Barniz a base de aceite para aplicarlo a los materiales de maderaYa que el lanzador que vamos a fabricar es de madera, cubrimos toda la superficie con barniz para protegerlo contra daos por agua.

    Herramientas y equipo

    Martillo Sierra Pega o goma para madera Lpiz

    Materiales necesarios para fabricar el cohete de agua y el lanzador

  • 19

    2-3 Diagrama de construccin del cohete: de la construccin al lanzamiento

    Preparacin delos materiales Aletas

    Fabricacin del faldn (aletas de la cola)

    Fabricacin del cono de la nariz

    Ensamblaje

    Fabricacin del lanzador

    Lanzamiento

  • Captulo 3Fabricacin del cohete de agua

    El cuerpo del cohete de agua que se presentar en este captulo ser el del tipo ms bsico que se puede fabricar con materiales fcilmente disponibles. Este tipo logra un equilibrio entre seguridad y funcionalidad.

    Le sugerimos que comience por fabricar un cohete siguiendo el proceso sugerido aqu para que sus estudiantes puedan aprender las bases de su construccin. Cuando hayan dominado el diseo bsico, puede alentarles a ejercitar su ingenio en nuevos diseos.

  • 22

    3-1 Qu necesitar

    Antes de iniciar su clase/taller rena los materiales y herramientas necesarios, y recorra su lista de comprobacin.

    2 botellas de PET Lmina de PVC Carpeta plstica (transparente) Bolsa de basura Plastilina o arcilla para moldear Boquilla Marcador permanente (a base de aceite) Cortador Tijeras Tapete para cortar Cinta adhesiva de vinilo Balanza

    Antes de comenzar, examine las botellas de PET de los nios para verificar que no tengan ningn dao ni defecto.

  • 23

    Cubra los escritorioscon madera contrachapada u otro material apropiado para protegerlos de cualquier dao.

    Disponga un tapete por persona para cortar.

    Pegue el canto de maderacontrachapada como medida de seguridad

    Mantenga en una caja el cortador, las tijeras, etc., y vuelva a guardarlosdespus de su uso.

    * Mantenga el rea de trabajo bien iluminada..

    3-2 Preparacin del aula

    Recomendamos un aula que se use para actividades artsticas y manuales. Cuando fabrique cohetes de agua en una clase ordinaria, recomendamos que coloque los escri-

    torios como se muestra en la ilustracin anterior. Si el grupo de estudiantes va a ser numeroso, use un rea espaciosa tal como un gimnasio. Di

    vdalos en grupos de seis o siete. Coloque en el suelo una lmina de madera contrachapada en el centro de una lona de vinilo para cada grupo, y luego deje que se instalen para fabricar sus cohetes. Coloque tijeras, cortadores y otras herramientas en el centro de la lmina de madera a fin de que todos los estudiantes del grupo tengan acceso a ellos.

    Desde el punto de vista pedaggico, es importante que los nios participen en organizar y limpiar el recinto.

  • 24

    3-3 Proceso de fabricacin del cohete de agua

    1. Cmo hacer las aletas

    Con un marcador permanente dibuje el patrn de lneas de gua en una lmina de plstico, como se muestra en la ilustracin de la izquierda. Luego corte cuidadosamente los patrones por las lneas de gua.

    1-1 Corte los patrones de las aletas

    Las aletas se pueden hacer de varias formas, alturas y anchos. Hagamos 4 aletas como el

    patrn de la izquierda.

  • 25

    Divida la base de cada aleta en cuatro partes igua-les, trazando y luego cortando las tres lneas gua. Tambin puede plegar las vietas hacia la izquierda y hacia la derecha. Asegrese de que el doblez es recto, alineando la regla a lo largo de la lnea de base. Repita este proceso para cada una de las

    cuatro aletas.

    1-2 Prepare la base de la aleta

    Corte la base de la aleta

    Pliegue las vietas hacia la izquierda y de la misma manera hacia la derecha

    alinendolas con la regla

    Haga las 4 aletas de la misma manera

    2. Confeccione el faldn y fjelo al cuerpo del cohete

    Envuelva la carpeta transparente alrededor del cuerpo del cohete y utilice un marcador permanente para marcar la posicin donde se sobreponen los dos bordes.Ancho: Aada unos pocos centmetros para que sobresalga del borde principal.Largo: Envuelva la carpeta alrededor de la botella y ajuste su longitud de modo que este cilindro sea ligeramente ms largo que el pico de la botella.

    2-1 Envuelva la carpeta plstica (transparente) alrededor del cuerpo del cohete

    Proceso de fabricacin del cohete de agua

  • 26

    Una vez cortado el rectngulo del faldn, envulva-lo alrededor del cuerpo del cohete.

    2-2 Corte un rectngulo en la carpeta plstica (transparente) a lo largo de la lnea marcada

    2-3 Divida el rectngulo del faldn en cuatro partes iguales y haga dobleces

    2-4 Corte a lo largo de los dobleces y de la lnea marcada

    Estire nuevamente el rectngulo del faldn y divdalo en cuatro partes iguales, utilizando la lnea previamente marcada como punto de referencia. Primero doble la lmina en mitades, luego doble cada mitad en cuartos. Marcar cada cuarto y hacer los dobleces.

    Doble el rectngulo por la mitad y haga un doblez

    Doble de nuevo cada mitad yhaga un doblez

    Botella de PET

    Carpeta plstica (transparente)

    Envuelva la lmina alrededorde la botella y mrquela conun marcador permanente.

    Corte a lo largo de los dobleces y lneas marcadas

    Corte a lo largo de los dobleces y de la lnea mar-cada para dividir el rectngulo en cuatro partes iguales.

    Proceso de fabricacin del cohete de agua

  • 27

    2-5 Pegue las aletas

    Inserte las aletas una por una en el faldn, luego asegure las vietas con cinta adhesiva por el revs del faldn.

    Pegue las aletas al faldn.

    Envuelva el faldn alrededor del cuerpo del cohete y sujete el borde de inicio con la cinta adhesiva de vinilo, luego fije firmemente el faldn por el borde con ms cinta adhesiva

    Verifique que el faldn est fijado en la posicin correcta.Verifique la posicin del faldn para asegurarse de que sobresale ms all del final del pico de la botella.

    2-6 Fije el faldn al cuerpo del cohete

    Proceso de fabricacin del cohete de agua

  • 28

    La segunda botella se utiliza para hacer el cono de la nariz. Use el marcador permanente para marcar las guas de corte en la seccin que se convertir en el cono de la nariz.

    3. Fabricacin del cono de la nariz

    3-1 Marque la otra botella con lneas de gua para los cortes

    Como se muestra en la foto, utilice el cortador para hacer cortes parciales en cada lnea de gua. Es una manera segura de abrir ranuras con la ayuda de las tijeras.

    Utilice las tijeras para cortar el cono de la nariz. Hemos descubierto que es ms fcil cortar primero

    la parte prxima al pico de la botella.

    3-2 Haga cortes parciales con el cortador

    3-3 Corte a lo largo de las lneas

    Proceso de fabricacin del cohete de agua

  • 29

    Pese alrededor de 50 gramos de plastilina o arcilla de moldear y aplquela en la nariz del cuerpo del cohete

    4. Coloque el cono de la nariz

    4-1 Coloque el lastre

    4-2 Determine el centro de gravedad

    Presione el cono de la nariz sobre el cuerpo del cohete y ase-grelo en su lugar con cinta adhesiva.

    Centro

    Centro de gravedad

    Lastre

    Coloque el cohete sobre su dedo para determinar el centro de gravedad. El centro de grave-dad debera estar ms cerca del cono de la nariz que del centro fsico real de la botella de PET.

    4-3 Coloque el cono de la nariz

    Proceso de fabricacin del cohete de agua

  • 30

    La bolsa de plstico acta como cojn dentro del cono de nariz. Desdblela y rellene el cono de la nariz con ella.

    Proceso de fabricacin del cohete de agua

    4-5 Selle el cono de la nariz

    4-4 Introduzca la bolsa de basura dentro del cono de la nariz

    Prepare 10 a 15 tiras de cinta adhesiva de longitud uniforme y selas para sellar la abertura del cono de la nariz.

    5. Examen final

    Est torcido?

    Est la cinta adhesiva pegada adecuadamente?

    Sobresale ligeramente laboquilla del faldn?

    Estn las aletas verticales con respecto al cuerpo del cohete?

    El paso final es examinar completamente el cohete para asegurarse de que no est torcido o daado de alguna manera, y de que todas las partes estn adheridas firmemente.

    Enrosque la boquilla y verifique la lon-gitud del faldn y si la parte superior de la boquilla sobresale ligeramente del faldn.

  • Captulo 4Fabricacin del lanzador

    Aunque en el mercado se encuentran varios tipos de lanzadores, aqu le ofrece-mos un diseo que le permite fabricar uno con materiales de bajo costo y de uso comn. Tambin podra ser interesante aceptar el reto de fabricar usted mismo las herramien-tas.

  • 32

    4-1 Planificacin del lanzador

    Los cohetes logran un vuelo estable luego de llegar a su mxima aceleracin, por lo que es preciso que el cohete mantenga su posicin de vuelo hasta llegar a la velocidad necesaria. Equipar el lanzador con rieles de gua de una longitud apropiada permite estabilizar la posicin de vuelo y asegurar que el cohete se dirige en la direccin escogida.

    El lanzador debe ser una estructura slida con un bajo centro de gravedad para evitar que se mueva durante el lanzamiento. Recomendamos equipar el lanzador con rieles de gua (cada una

    de 60 - 80 cm de largo) y disearlo de modo que sea ajustable, para que el ngulo de lanzamiento se pueda modificar a voluntad.

    Fabrique su propio lanzador

    En el mercado se encuentran varios tipos de lanzadores, pero vienen sin los rieles de gua o, cuando los tienen, son demasiado cortos. Por ello tienden a no ofrecer estabilidad para el lanza-miento, comprometiendo la posibilidad de orientar el cohete en la direccin deseada.

    Le ofrecemos un diseo que le permite construir un lanzador usando materiales de uso coti-diano. Tiene rieles de gua suficientemente largos y su fabricacin no es costosa.

    Con este lanzador se puede fijar el ngulo de lanzamiento que se desee. Adems, su cons-truccin es tan slida que no fallar an despus de un uso constante.

    Con este lanzador como referencia, esperamos que haga equipo con los nios para concebir y fabricar nuevos diseos de lanzadores seguros y funcionales.

  • 33

    Base de laboratorio como lanzador

    Lanzador listo para usar

    Este lanzador utiliza una base ordinaria para experi-mentos que se usa en los laboratorios de ciencias de los colegios. Una varilla de metal fijada a la base se utiliza como riel de gua. Las dos varillas verticales de la base permiten ajustar el ngulo de elevacin.

    Aqu se muestra un lanzador simple de plstico. Es prctico y porttil.

    Lanzador vertical simple

    Equipado con una varilla de metal como riel de gua, el nico propsito de este lanzador es en-viar al cohete directamente hacia arriba. Adhiera firmemente un pedazo de tubo PVC al cuerpo del cohete, y pase la varilla gua por el tubo hacia abajo hasta que el cohete tope la plataforma de lanza-miento. Este lanzador es una estructura simple sin mecanismo para ajustar el ngulo de lanzamiento. Es apropiado para lugares de lanzamiento con un rea limitada.

    Planificacin del lanzador

  • 34

    4 rieles de gua 20mm. 20mm. 800mm. (largo) 3 placas para el riel de gua 220mm. 120mm. 10mm. (espesor) 1 placa (corta) para riel de gua 60mm. 120mm. 10mm. (espesor) 1 placa inferior para riel de gua 800mm. 800mm. 10mm. (espesor) 1 placa base (grande) 600mm. 800mm. 10mm. (espesor) 1 placa base (pequea) 800mm. 800mm. 10mm. (espesor)

    Para los elementos a se recomienda utilizar madera contrachapada hidrfuga.

    Materiales

    4-2 Preparacin: Lista de materiales y herramientas

  • 35

    Herramientas

    Materiales listos para usar

    Se necesitan las herramientas siguientes: Martillo Sierra Brocha Destornillador Lpiz

    Preparacin: Lista de materiales y herramientas

    2 ganchos (accesorios para colgar lmparas) gancho de aprox. 22mm. dimetro 2 anillos de tornillo anillo de aprox. 16mm. dimetro 2 bisagras (con sus tornillos) 1 graduador Hilo para cometas 1 pesa (tuerca, etc.) 1 cadena (60mm.) 25 o ms clavos de acero inoxidable (pequeos) 20 - 25mm. de largo 6 clavos de acero inoxidable (grandes) 35 - 40mm. de largo Cola para madera lo necesario Barniz para madera a base de aceite lo necesario 1 cinta adhesiva de vinilo o cinta adhesiva de doble faz

  • 36

    4-3 Proceso para construir el lanzador

    160mm.

    Placa donde se fija el riel de gua

    Placa donde se fija el riel de gua (corta)

    Riel de gua

    Clavo (pequeo)

    Clavo (pequeo)

    3 piezas 1 pieza

    Ensmblelos en forma de caja.

    Dibuje lneas diagonales en la placa de base

    Aplique a la madera barniz o laca a base de aceite

    Lnea diagonal

    Recuerde aplicar cola en las uniones de la madera antes de pegar los clavos.

    Ponga clavos tambin en la plancha de fijacin

    Ponga los rieles gua ensamblados en la placa de la base con las placas para fijarlos. Alinee las cuatro esquinas con las lneas diagonales y dibuje a lpiz las lneas por los bordes de la caja. (haga lo mismo en el reverso)

    Vulvalo boca arriba y fije la placa inferior a lo largo de las lneas de gua. Ponga los clavos (grandes) en las posiciones del riel de gua.

    Placa inferior del riel de gua

  • 37

    70mm.

    100mm.

    Placa de fijacin (corta)

    60mm.

    70mm.

    Atornillar losanillos de tornillo

    Aplique barniz en ambos lados de las placas de base.

    100mm.

    Conecte los ganchos en los anillos de tornillo

    Fije la cadena en los clavos

    Etapa final

    Clave un clavo (grande), dejando expuestos losltimos 10 mm.

    Pegue la mitad de un graduador, usando cinta adhesiva de doble faz.

    Cuelgue la pesa desde el centro del graduador, usando una tachuela e hilo para cometas.

    Coloque las bisagras en su lugar, cada una a 60 cm. del borde de la placa, y conecte ambas placas.

    Ponga un clavo (grande),dejando expuestos los ltimos 10mm.

    Atornille los ganchos en los puntos ilustrados.

    Proceso para construir el lanzador

  • Captulo 5Lanzamiento

    Los nios se emocionan al ver sus cohetes de agua volar alto en el cielo. Para ga-rantizar un lanzamiento seguro y deleitable, este captulo le proporciona consejos sobre sitios para el lanzamiento, personal, herramientas y equipo, los preparativos necesarios, las tcnicas de lanzamiento y aspectos operacionales de las competiciones.

  • 40

    5-1 Preparacin para el lanzamiento

    Seleccin del sitio de lanzamiento

    El sitio de lanzamiento debe tener por lo menos 50 m de longitud. Debe tener fcil acceso a suministro de agua No debe estar cerca de un aeropuerto o aerdromo.

    El sitio previsto es an mejor si cumple los siguientes requisitos: Que sea posible un vuelo sin obstrucciones por una distancia de 100 m o ms. Que la superficie del suelo sea plana y libre de lodo. Que el sitio se encuentre a una distancia segura del trfico de peatones, trfico de vehculos y zonas de estacionamiento, entre otros. Que el sitio est libre de rboles altos y de reas con acceso restringido. Que el sitio permita a los nios recuperar sus cohetes con seguridad.

    Patios de colegios Patios en instalaciones pblicas Parques Lechos de ros secos

    Cualquiera que sea el sitio de lanzamiento, podran existir casos en que sea necesario solici-tar permiso previo. Por ello es conveniente preguntar en la oficina municipal local o a la organizacin interesada.

    Ejemplo de un sitio de lanzamiento

    Consejos para el lanzamiento Lanzadores

    Bomba de aire

    Preparacin del rea de lanzamiento

    Suministro de agua

    El estndar es un lanzador por cada diez participantes, pero esto puede variar de acuerdo al nmero de cohetes que se van a construir, el nmero de lan-zamientos, el tamao del sitio de lanzamiento, factores de tiempo, etc.Desde el punto de vista de la seguridad, recomendamos el uso de una bomba de aire equipada con un medidor de presin. Existen bombas que tienen una manguera larga, especficamente diseadas para cohetes de agua. Bombear se refiere al proceso de introducir aire dentro del cohete para presurizarlo. Cuando el cohete despega, despide una considerable cantidad de agua alred-edor del rea de lanzamiento. Sugerimos que coloque una lmina de plstico debajo del lanzador para evitar que el rea de lanzamiento se vuelva lodosa. El suministro de agua ser ms eficaz si prepara un balde de plstico grande o una piscina pequea. Utilice tazas de medir de tamao idntico para sum-inistrar la misma cantidad de agua a cada cohete.

  • 41

    5-2 Herramientas y equipo necesarios para el lanzamiento Lanzador Lmina de plstico

    Embudo Taza de medir

    Equipo de lanzamiento

    Banderines

    Conos de colores

    Tiza y dosificador

    Cubo de agua

    Bomba de aire (con medidor de presin)

    Cinta de medir (100-200 m) Megfono y/o Micrfono

  • 42

    5-3 Personal de lanzamiento y funciones

    Responsabilidades del personal

    Oficial de control de lanzamiento: Trabaja en estrecho contacto con los oficiales que vigilan la seguridad general del sitio de lanzamiento. Mediante seales, el oficial de control de lanzamiento da las autorizaciones para lanzar los cohetes y para que se inicie el bombeo, y conduce la cuenta regresiva.

    Oficiales de vigilancia de seguridad: Los oficiales de vigilancia de seguridad observan cuidadosamente el sitio de lanzamiento y sus alrededores para evitar que el pblico se aventure dentro del rea. Luego de confirmar que el campo est libre, usan banderines para sealar al control de lanzamiento que el rea est segura para el lanzamiento.

    Oficiales de recuperacin: Son responsables de la recuperacin de cohetes. Los oficiales de recuperacin suelen actuar al mismo tiempo como oficiales de vigilancia.

    Oficiales de medicin: Miden la distancia que ha recorrido el cohete en su vuelo. En el caso de una competicin de punto fijo, miden la diferencia entre el punto de aterrizaje y el blanco. Estos oficiales a menu-do actan a la vez como oficiales de vigilancia de seguridad.

    Oficiales de bombeo de aire: Este oficial conecta la boquilla del cohete de agua al lanzador y hace los preparativos para que el nio pueda iniciar el bombeo. Tambin verifica con cuidado que no haya prdidas de agua por la boquilla o por el cuerpo del cohete. El oficial deja que el nio bombee aire por s solo. Si el nio no tiene suficiente fuerza para terminar el bombeo, el oficial puede hacerlo en su lugar. Otra importante responsabilidad es verificar la presin de aire.

    Oficial de agua: Este oficial, usando una taza de medir y embudo, es responsable de llenar cada cohete con una cantidad predeterminada de agua.

    Oficial de registros: Este oficial lleva los registros de distancias de vuelo y otros logros de los cohetes.

  • 43

    Disponga dos lanzadores por cada 20 estudiantes. (Cada estudiante construir su propio

    cohete.)

    Oficial de control de lanzamiento: 1Oficiales de vigilancia de seguridad/recuperacin: 2 - 3Oficiales de medicin: 2 (pueden actuar como oficiales de recuperacin al mismo tiempo)Oficial de registros: 1Oficiales de bombeo de aire: 2Oficiales de agua: 1 - 2Total: 5 - 8 personas

    Si el nmero de nios participantes es limitado (20 a 30), es posible que una persona pueda

    asumir ms de una responsabilidad. Del mismo modo, si el evento es en gran escala, con muchos participantes o lanzadores, el nmero del personal debera aumentarse en consecuencia.

    Para lanzar cohetes de agua en el patio de una escuela como proyecto de una clase, uno o dos maestros pueden vigilar la sesin. Un maestro sirve como oficial de control de lanzamiento, encargndose de la vigilancia total de la operacin, incluyendo la seguridad, mientras deja las de-ms tareas a los nios. Asegrese que los nios comprendan cabalmente sus respectivas tareas, brindndoles previamente un instructivo completo.

    Personal

    Personal de lanzamiento y funciones

  • 44

    Organizacin del sitio de lanzamiento

    5-4 Organizacin del sitio de lanzamiento

    Marque los lmites del campo de lanzamiento (rea segura). Al hacerlo, es aconsejable mantener una distancia prudente de cualquier estructura, rbol y trfico en los alrededores.

    Determine la posicin del lanzador. Generalmente el lanzador se coloca en una de las esquinas del campo de lanzamiento. Es aconsejable delimitar al menos 50 metros de rea plana no obs-truida. No coloque la bomba directamente detrs del lanzador.

    Fije el rea de llenado de agua por lo menos a 3 m detrs del lanzador. Determine cul ser el rea de espera para los estudiantes que hacen fila para lanzar sus co-

    hetes. Esta rea debera tambin estar por lo menos a 3 m detrs del lanzador. Verifique doble-mente para asegurarse que la distribucin del rea evite que los nios se junten alrededor del lanzador.

    El oficial de control de lanzamiento se coloca de pie cerca del lanzador Los oficiales de vigilancia de seguridad toman posiciones que les permitan verificar la seguridad

    en el campo de lanzamiento y sus alrededores. Los oficiales de recuperacin/medicin se colocan de pie fuera del campo. Despus del aterrizaje

    del cohete, se dirigen hasta el punto de aterrizaje para realizar la medicin y recuperacin. Los oficiales de bombeo de aire se colocan de pie cerca de la bomba. Los oficiales de agua se colocan de pie en el rea de llenado de agua.

    Posiciones del personal durante el lanzamiento

    Al organizar una sesin de cohetes de agua en parques y otras reas pblicas, el personal debe tambin prestar atencin a la seguridad del pblico en general. Es igualmente importante que el personal permanezca alerta para evitar que los nios se lesionen. Los oficiales de vigilancia de seguridad y especialmente a los oficiales de recuperacin se encargan de advertir a los nios que deben quedarse en lugares suficientemente distantes del punto probable de aterrizaje de los cohetes. Deben reiterar que los nios NUNCA deben intentar agarrar un cohete que est cayendo.

    Al llevar a cabo una sesin bajo el calor del da, especialmente en el verano, haga que los nios esperen bajo la sombra de un rbol o usen gorras.

    Cuando se organiza una competicin es aconsejable colocar varios toldos. Proceda a un ensayo previo antes de comenzar el lanzamiento. Primero, realice varios lanza-

    mientos de prueba, comenzando con la presin de aire ms baja efectiva para verificar la canti-dad de agua y la presin de aire, el ngulo del lanzador y el viento, etc.

    Consejos para el lanzamiento

  • 45

    Ejemplo de distribucin del sitio de lanzamiento

    50 m o ms

    Oficial de control de lanzamiento

    Oficial de vigilancia de seguridad

    Oficial de vigilancia de seguridad

    Oficial de recuperacin

    Oficial de llenado de agua

    3m

    Oficial de bombeo de aire

    Campo de lanzamiento

    Nios esperando lanzar sus cohetes

    Organizacin del sitio de lanzamiento

  • 46

    5-5 Ensayo del lanzamiento

    Es conveniente que las condiciones meteorolgicas en el momento del lanzamiento sean las siguientes: Clara visibilidad del campo No muy ventoso

    Condiciones meteorolgicas

    Proceso de lanzamiento

    Una vez que se han ubicado en el sitio de lanzamiento, explique a los nios el proceso de lanza-miento. Examine el cohete: Examine cada cohete de agua cuidadosamente para comprobar que no tiene

    ningn defecto o dao. Se debe prestar atencin especial a las partes sometidas a presin, ya que defectos en esas partes podran resultar en el estallido del cohete. Es aconsejable pegar un sello en los cohetes que han pasado por el control de seguridad.

    Examine la boquilla. Luego de examinar la boquilla (asegrese de que todas las piezas estn en su lugar), enrosque bien la boquilla en el cohete.

    Llnelo con agua. Se recomienda el uso de una taza de medir.Ponga el cohete en el lanzador y ajuste el ngulo de lanzamiento. Se aconseja un ngulo de

    elevacin de 40 a 80 grados.Confirme la seguridad del sitio de lanzamiento y haga que todos evacuen el campo. El oficial

    de control de lanzamiento y los oficiales de vigilancia de seguridad (que usan banderines para hacer seales al control de lanzamiento) se encargan de esta maniobra.

    Inicie el bombeo cuando reciba la seal del oficial de control de lanzamiento. Nadie debera es-tar parado directamente frente a la bomba o detrs de ella. Se recomienda una presin mxima equivalente a 7 atmsferas.

    Despus de finalizar el bombeo, confirme nuevamente que todos han salido del sitio de aterriza-je. Se encarga de ello el oficial de control de bombeo.

    Proceda a la cuenta regresiva para el lanzamiento, a cargo del oficial de control de lanzamien-to.

    Mida la distancia de vuelo, etc. , y comunquela al registrador. Son responsables los oficiales de medicin y el oficial de registros.

    D la seal para iniciar la recuperacin de los cohetes. Se encarga el oficial de control de lan-zamiento.

    Despus de la recuperacin de los cohetes, indique que se ha completado el lanzamiento. Es responsabilidad del oficial de control de lanzamiento.

  • 47

    Ensayo del lanzamiento

    Asegure la seguridad del lanzamiento: Utilice banderas blancas y rojas visibles desde lejos.Utilice la bandera blanca cuando se puede proceder al lanzamiento.Utilice la bandera roja cuando el lanzamiento deba ser suspendido.

    Asegurar la seguridad del lanzamiento

    El oficial de control de lanzamiento debe anunciar la suspensin del lanzamiento en los casos siguientes: Presencia de personas en el campo de lanzamientoUn fuerte viento o una rfagaOtros casos en los que el oficial de control de lanzamiento decida que se debe suspender el

    lanzamiento.

    Suspensin del lanzamiento

  • 48

    Procedimiento de lanzamiento

  • Captulo 6Principios de la cohetera de agua

    Los cohetes de agua y los cohetes reales funcionan segn los mismos principios de vuelo. Los cohetes que vuelan recto y alto cumplen con los principios cientficos apro-piados, no as los que funcionan defectuosamente.

    En este captulo se presentarn los principios de cohetera de agua, que espera-mos le ayudarn cuando ensee a sus estudiantes la fabricacin de cohetes de agua.

  • 50

    6-1 Principios que rigen los vuelos de cohetes

    En la fabricacin de cohetes reales intervienen numerosos elementos tecnolgicos, a saber: Mecnica estructural e ingeniera de materiales: en la fabricacin del fuselaje del cohete areo como cuerpo estructural. Ingeniera de propulsin y combustin: en la fabricacin del motor propulsor. Aerodinmica: en la evaluacin del impacto de las fuerzas aerodinmicas. Ingeniera de control: para estabilizar la posicin de vuelo del cohete y el guiado de los satlites a sus rbitas planificadas. Anlisis de vuelo - para calcular el desempeo de vuelo del cohete, evaluando as hasta qu punto puede ser guiado un satlite dentro de su rbita planificada.

    Se necesita una cantidad increblemente grande de energa para que un cohete escape de la gravedad de la Tierra y llegue al espacio. Por lo tanto, el combustible forma la mayor parte del peso del cohete. Reforzar

    y alivianar los materiales estructurales, perfeccionar el rendimiento del propelente, y lograr un control para un rendimiento ms preciso . . . sern siempre un reto para los ingenieros aeroespaciales.

    Al comienzo, la elaboracin de mecanismo de separacin result un desafo muy difcil. Al ensam-blar un cohete multi-etapa se utiliza un mecanismo conocido como el acople de separacin para conectar la primera y segunda etapas. Durante la primera etapa de combustin, despus del lanzamiento, el acople de separacin, que forma parte integrante del cohete, tiene que mantener slidamente unidas la primera y la segunda etapas. Las etapas tienen que separarse sin falla en el momento en que la combustin de la primera etapa termina y se prepara la segunda etapa para la ignicin. Actualmente se puede escoger en una variedad de mecanismos de separacin, tales como dispositivos pirotcnicos, por lo que estos componentes funda-mentales han ganado en confiabilidad. A pesar de ello, todos los participantes en el lanzamiento de cohetes permanecen siempre al borde de sus asientos desde el momento del lanzamiento hasta que el satlite artificial se ha separado con seguridad de la etapa final del cohete.

    Fabricacin de cohetes y elementos tecnolgicos

    Los mismos conceptos se aplican a cohetes de agua. El fuselaje del cohete, su propulsin y aerodinmica (estabilidad de la posicin de vuelo), son factores vitales que afectan el desem-peo del vuelo (distancia, etc.). Es extremadamente peligroso aplicar una presin excesiva al cohete de agua intentando lograr un nuevo rcord de distancia. Desde el punto de vista de la seguridad, es indispensable comprender las limitaciones de las botellas de PET en trminos de fuerza estructural y resistencia a la presin. Cuando se trata de cohetes de agua de etapas mltiples, la tarea de decidir cmo separar la primera etapa de la segunda y suministrar un chorro de agua ininterrumpido es un desafo para los nervios de los responsables. Se necesitar-n mucha experiencia e ingenio para disear, construir y manejar con seguridad la separacin y los mecanismos del chorro de agua de la segunda etapa.

    Y con respecto a los cohetes de agua?

  • 51

    En las siguientes secciones, explicaremos las clases de fuerzas que genera un cohete mien-tras se encuentra en vuelo. A fin de asegurar que nuestra explicacin corresponda al contenido de los textos de su colegio, citaremos la Ley de Accin y Reaccin / Tercera Ley de Newton (= el prin-cipio de propulsin a reaccin) y la Ley de Conservacin del Momentum.

    Si suelta un globo inflado, zumbar por todos lados expulsando aire. Se genera una fuerza que lo mueve hacia adelante en reaccin al aire que est siendo expulsado hacia atrs (accin), causando de esta manera que el globo vuele. Esta fuerza reactiva es conocida como propulsin o empuje.

    Asimismo, un cohete es propulsado verticalmente en reaccin al gas que est siendo expul-sado de su cuerpo. El cohete se carga con combustible slido o lquido. Al quemarse el combus-tible se genera un importante empuje debido al gas resultante que se expulsa hacia atrs. El gas, fuertemente presurizado en la cmara de combustin, es expulsado a travs de la boquilla (accin), proporcionando el empuje vertical (reaccin). Adems del combustible, se carga el cohete con ox-geno. El oxgeno permite al cohete quemar su carga de combustible y generar gas de alta velocidad an en un ambiente sin aire. Los cohetes usan la potencia reactiva para lograr la aceleracin en el agua, en el aire y an en el vaco del espacio.

    Un can retrocede cuando dispara un proyectil. Disparar el proyectil es la accin mientras que la reaccin es el retroceso absorbido por el can. Se puede imaginarse que el cohete es el cilindro del can que est volando a travs del espacio, y no el proyectil. La expulsin constante de proyectiles (= combustible) hacia atrs permite al cohete (= cilindro del can) seguir movindose

    hacia adelante en virtud de una reaccin sostenida. Este mecanismo de propulsin se denomina propulsin a reaccin.

    Ley de Accin y Reaccin/Tercera Ley de Newton (= principio de propulsin a reaccin)

    Accin ReaccinReaccin

    El globo expulsa aire para volar El cohete expulsa combustible para ganar altura

    El principio de un cohete y de un globo es bsicamente el mismo.Se desplazan hacia adelante expulsando el gas presurizado hacia atrs.

    Accin

    Principios que rigen los vuelos de cohetes

  • 52

    Principios que rigen los vuelos de cohetes

    Ley de Conservacin del Momentum

    Masa multiplicada por velocidad igual momentum. Se expresa mediante la ecuacin:

    Momentum=masa velocidad

    Cada objeto tiene propensin a mantener un momentum constante antes y despus de un movimiento. Esto se conoce como la Ley de Conservacin del Momentum. Aqu citaremos y apli-caremos esta ley para explicar la fsica de los cohetes. En aras de la simplicidad, presupondremos que un cohete en reposo tiene cierta masa: Masa = M + m, donde M es la masa del cuerpo del

    cohete y m es la masa del combustible. El cohete quema su combustible en un instante y expulsa gas hacia atrs con una masa m a una velocidad Ve. El valor V es la velocidad que ha adquirido el cohete mediante la expulsin del combustible (suponiendo que la resistencia del aire = 0).

    Como la velocidad del cohete antes de lanzar el combustible es 0, el momentum es por su-puesto 0. El momentum del combustible p expulsado se expresa como p = m (-Ve), y el momen-tum P del cohete que ha empezado a moverse debido a la fuerza de reaccin se expresa como P = M V. As, el total de los dos momentum es: P + p = MV - mVe. Con esta ecuacin, el smbolo menos en - mVe significa que la direccin del combustible expulsado es opuesta a la direccin hacia la cual se mueve el cohete.

    Cuerpo del cohete

    Combustible

    Velocidad inicial

    Velocidad original

    Velocidad de lanzamiento

    Cantidad de aceleracin

    Fuerza de reaccin (fuerza de la accin - reaccin; repulsin)Un cohete es acelerado por la fuerza de reaccin expulsando el combustible hacia atrs.

    As the rocket has the propensity to maintain its initial momentum (=O) (= Law of Conservation of Momentum), the following equation applies:

    Un cohete de agua tambin vuela por medio de la propulsin a reaccin. Vuela aprovechando una reaccin resultante del agua que est siendo expulsada por el aire comprimido que trans-porta. Los textos escolares tratan el tema de cohetes de agua como un ejemplo ampliado de accin y reaccin, explicando que un cohete de agua es propulsado hacia adelante por una fuerza de reaccin generada por la liberacin de aire comprimido dentro del cuerpo del cohete, que provoca la expulsin del agua a travs de la boquilla.

    Y con respecto a los cohetes de agua?

    Accin

    Aire ReaccinAgua

    Un cohete de agua vuela gracias a la propulsin a reaccin.

  • 53

    Momentum antes del movimiento = momentum despus del movimiento = momentum total del

    cohete y el momentum de expulsin del combustible. Esto se expresa como: O = MV - mVe.De esta ecuacin, se deduce la siguiente: V = (m/M) Ve (A)

    En otras palabras, significa que el cohete se mueve hacia adelante para compensar el momentum del combustible que ha sido expulsado. De este modo, podemos concebir fcilmente el movimiento del cohete aplicando el concepto de momentum. Sin embargo, notar que con un cohete real el combustible se quema durante un perodo determinado de tiempo y no en un instante. Por lo tanto, la velocidad final del cohete es igual a la velocidad obtenida mediante la sumatoria sucesiva de la ecuacin (A) anterior.

    Por ejemplo, la velocidad requerida por un satlite artificial que gira alrededor de la rbita de la Tierra es de aproximadamente 7,9 km/s, es decir, 28.500 km/hora, lo que casi equivale a un sorprendente Mach 23.

    Qu se debe hacer para que el cohete alcance una velocidad tan asombrosa?Para acelerar el cohete como en la ecuacin (A) mencionada anteriormente, hay tres mtodos posibles:

    1) Aumentar la velocidad del gas que est siendo expulsadoUna manera efectiva para aumentar la velocidad del gas que est siendo expulsado es

    reducir el peso molecular del gas. Suponiendo que la presin dentro de la cmara de combustin es constante, mientras ms bajo es el peso molecular del gas, mayor es la aceleracin, permi-tiendo que la cmara de combustin expulse el gas a velocidades ms altas. A este respecto, se sabe que los motores de cohetes que utilizan una mezcla de oxgeno lquido e hidrgeno lquido como combustible tienen un rendimiento superior, ya que la combustin de gas resultante (= vapor) tiene un peso molecular ms bajo. Los pesos moleculares de los gases de combustin

    derivados de combustibles lquidos y combustibles slidos del alcohol son mayores que aquellos derivados del vapor. Como tales, sus velocidades de expulsin son ms bajas.

    Tambin podemos alcanzar mayores velocidades de expulsin de gas aumentando la pre-sin durante la combustin. Sin embargo, aplicar presin excesiva podra daar la cmara de combustin y/o las tuberas. Los materiales utilizados para la cmara y las tuberas tienen cada uno una presin mxima aceptable. Adicionalmente, el fuselaje del cohete (incluyendo el motor) tiene que ser lo ms liviano posible, ya que un cuerpo ms pesado significa mayor necesidad de combustible. Hacer ms pesada y fuerte la cmara de combustin no es aconsejable.

    Con respecto a motores de cohetes con propelente liquido, hemos mejorado el rendimiento de su empuje empleando un sistema de bombeo turbo que utiliza la combustin de los gases para hacer girar la bomba, y mediante el empleo de un sistema de enfriamiento regenerativo diseado para transferir de manera eficaz el calor dentro de la cmara de combustin al com-bustible de baja temperatura previo a la combustin.

    Un dispositivo en forma de campana o boquilla se enrosca en el punto de salida de la cmara de combustin. La forma de la boquilla contribuye a acelerar el gas lanzado. Dentro de la cmara, el pasaje se va haciendo cada vez ms angosto hacia el punto de salida, acelerando el gas de combustin hasta la velocidad del sonido. Mientras pasa a travs de la boquilla, el gas se expande gradualmente y acelera ms, y finalmente sale expulsado en un chorro supersnico. La funcin de la boquilla consiste en acelerar la velocidad del gas expulsado.

    Principios que rigen los vuelos de cohetes

  • 54

    2)Aumentar la masa (m) del combustible que va a ser expulsadoPara aumentar la masa de combustible m hay que cargar el cohete con mucho combustible. Sin

    embargo, una mayor cantidad de combustible inevitablemente necesita un depsito proporcionalmente ms grande. Ms an, tambin hay que agrandar el fuselaje del cohete y el tamao de los dems compo-nentes y acoples. Para decirlo de otro modo, aumentar la masa de combustible m da como resultado el aumento de la masa del cohete M. De ah que aumentar solamente m sin aumentar M sea, en efecto, exactamente lo mismo que reducir la masa del fuselaje del cohete M.

    Segn se analiz anteriormente en el apartado 1), es aconsejable reducir el peso molecular de los gases a fin de aumentar la velocidad de su expulsin. El peso molecular de los gases puede ser expresado como el peso del combustible que es expulsado en una sola vez. Mientras tanto, la masa de combustible m significa la cantidad acumulativa de la masa de gas expulsada. En pocas palabras, es posible mejorar el rendimiento del empuje expulsando mucho gas, que tiene un peso molecular menor, a lo largo de un pe-rodo prolongado de tiempo. Sin embargo, en caso de lanzar un gas que tiene un peso molecular ms bajo, la aceleracin toma ms tiempo debido al menor empuje, aunque en definitiva se obtengan velocidades ms altas. Por lo tanto, durante la primera etapa del vuelo, que requiere la mayor cantidad de empuje, el cohete H-IIA de Japn y el Space Shuttle (Transbordador Espacial) de Estados Unidos emplean un aditivo

    de combustible slido que aumenta la potencia.

    3)Reducir la masa M del fuselaje del cohetePara reducir la masa del fuselaje del cohete, o M, los ingenieros recurren a materiales fuertes pero

    ms livianos. Se utilizan cohetes de etapa mltiple debido a que cada etapa puede ser lanzada una vez que se ha agotado su combustible. Desechar las etapas intiles es una manera efectiva de aumentar la velocidad del cohete.

    Gracias a la tecnologa moderna, la masa del fuselaje del cohete (incluyendo el depsito de combus-tible, motor, etc.) ha sido reducida hasta aproximadamente el 20% de la masa total del cohete (comprendi-do el combustible). Las reducciones adicionales de la masa de la estructura del fuselaje (es decir, un valor de un solo dgito) depende de que se disponga de materiales y componentes estructurales innovadores, que abrirn nuevos horizontes para la construccin de cohetes espaciales en el futuro.

    Principios que rigen los vuelos de cohetes

    Las medidas para mejorar el rendimiento del empuje en cohetes de agua son bsicamente las mismas que las aplicadas a los cohetes reales. En el caso de un cohete de agua, su capacidad para alcanzar distancias mayores depende de que haya alcanzado una velocidad suficientemente elevada cuando se agote su combustible (agua y aire presurizado). La velocidad del cohete se puede aumentar de tres maneras:

    1)Aumentar la velocidad de expulsin del aguaLa manera ms directa para aumentar la velocidad de expulsin del agua es aumentar la pre-

    sin dentro del depsito. Sin embargo, advertimos de que una presin excesiva podra tener como resultado el estallido de la botella de PET. De tal manera que es aconsejable determinar la presin solamente despus de haber considerado debidamente la presin mxima de seguridad que resiste la botella. Asegrese tambin de verificar con suficiente anticipacin que su botella no tiene ningn de-fecto. El uso de un lquido ms liviano que el agua podra tambin servir para aumentar la velocidad de expulsin. Sin embargo, NO utilice lquidos inflamables, tal como el alcohol, que son muy peligrosos.

    Y con respecto a los cohetes de agua?

  • 55

    Principios que rigen los vuelos de cohetes

    El uso de un material pesado de alta densidad, como agua salada, afectara realmente el rendimiento? Qu sucedera si usara agua gaseosa, que genera gas cuando la presin dentro del depsito disminuye? Pngase a prueba realizando experimentos para encontrar las respuestas a estas preguntas.

    Qu sucedera si modifica el tamao del orificio de la boquilla? Mientras ms grande sea el orificio de la boquilla, ms baja ser la velocidad de la expulsin de lanzamiento, ya que se reduce la presin interna a una velocidad mucho mayor. Por otro lado, mientras ms pequeo sea el orificio, ms durar la aceleracin porque la expulsin del agua demorar ms. Debe existir un tamao ptimo para el orificio.

    2)Aumentar la cantidad de agua que va a ser expulsadaMientras mayor sea la cantidad de agua, ms tiempo necesitar la aceleracin del cohete. Sin

    embargo, demasiada agua significa un volumen proporcionalmente ms pequeo de aire, que reduce la presin interna de aire. No se puede obtener suficiente velocidad de expulsin cuando tambin tie-ne que acelerar el cuerpo de un cohete que tiene ms peso debido al agua adicional que se ha carga-do. Llevando las cosas al extremo opuesto, no se obtendr suficiente velocidad si la cantidad de agua es insuficiente; recuerde, el empuje es generado por el agua que est siendo expulsada del cohete. La cantidad de agua debera ser de aproximadamente un cuarto o un tercio del volumen cbico de la botella. Si desea aumentar la cantidad de agua mientras mantiene el volumen de aire presurizado, puede disear un cohete con depsitos independientes de agua y aire.

    Este mtodo se asemeja a la construccin de un cohete de agua de mayor tamao con un depsito de gran capacidad. Le alentamos a utilizar su imaginacin al considerar este problema, pero cuide que su cohete de agua sea fuerte y seguro. Verifique que todos los acoples y conexiones sean perfectamente hermticos.

    3)Disminuir la masa del cohete de aguaNUNCA intente desbastar, limar, rebanar o reducir de otro modo el peso de la botella de PET

    porque corre el riesgo de que sta explote. Lo importante es alivianar el cuerpo del cohete eliminando los accesorios innecesarios. Recuerde, sin embargo, que los accesorios incluyen las aletas, el faldn

    y el lastre de plastilina o de arcilla para moldear, todos los cuales son indispensables para lograr un vuelo estable. De hecho, el cohete no puede volar recto sin las aletas y el lastre. Demasiado es tan perjudicial como muy poco. Cules son el tamao y peso mnimos aceptables para estas importan-tes partes?

    4)Minimizar la resistencia del aireEs tambin muy importante minimizar la resistencia del aire durante el vuelo. Por lo tanto, con-

    viene fabricar el exterior del cohete tan liso y suave como sea posible y reducir al mnimo las partes sobresalientes y los accesorios innecesarios.

  • 56

    Los cohetes obtienen su empuje lanzando combustible hacia atrs a altas velocidades. A lo largo de los aos se han propuesto varios sistemas de propulsin. La clave para crear propulsin de alto rendimiento en co-hetes es la conversin eficiente de energa qumica almacenada en el cohete, en energa trmica. Los cohetes que crean propulsin convirtiendo energa qumica en energa cintica se conocen como cohetes qumicos, mientras que aquellos que convierten energa elctrica o trmica en energa cintica por mtodos distintos de la combustin se llaman cohetes no qumicos. En el siguiente anlisis presentamos las caractersticas de estos dos tipos de cohetes y los comparamos con el mecanismo de propulsin de un cohete de agua.

    Los cohetes qumicos crean propulsin gracias al producto qumico que se genera al quemarse una sus-tancia. Los cohetes tienen que funcionar en un ambiente en el que el aire es muy poco denso; cuando se trata de colocar un satlite artificial en rbita, el ambiente es ms o menos un vaco. Naturalmente, no hay oxgeno suficiente para quemar el combustible que crea la propulsin. Por lo tanto, el cohete tiene que transportar no slo el combustible sino tambin el oxgeno (el oxidante). sta es la diferencia esencial entre el cohete y los motores a chorro. Las aeronaves de propulsin a chorro transportan solamente combustible. Crean propulsin succionando aire del ambiente que contiene oxgeno y usndolo para quemar su combustible.

    Para crear propulsin, los cohetes qumicos estn diseados para generar gas a alta temperatura y presin por medio de una reaccin qumica (combustin), arrojando el gas resultante. En la categora de los cohetes qumicos, los cohetes slidos utilizan propulsantes slidos y oxidantes; los cohetes lquidos utilizan propulsantes lquidos, y los cohetes hbridos utilizan ambos. Los cohetes slidos queman un propulsante que contiene un oxidante granulado. En cohetes lquidos, el combustible lquido y el oxidante lquido, almacenados en depsitos separados, se mezclan en la cmara de combustin y se queman. Con respecto a los cohetes hbridos, se roca un oxidante lquido en el combustible slido, que luego se quema. Todos los vehculos de lanzamiento de gran tamao que estn actualmente en uso alrededor del mundo (los cohetes H-IIA y M-V

    japoneses, el Space Shuttle (Transbordador Espacial) estadounidense, el cohete Ariane europeo y el Soyuz ruso) son cohetes qumicos.

    6-2 Varias formas de propulsin para cohetes

    Depsito de combustible

    Depsito del oxidante

    Botella con gas a presin

    Encendedor

    Cmara

    Boquilla Boquilla

    Cmara de combustin

    Depsito decombustible

    Depsito del oxidante

    Boquilla

    Cmara de combustin

    Cohete lquido(alimentado por presin)

    Cohete lquido (tipo bomba turbo)Cohete slido

    Intercambiador de calor

    Bomba turbo

    Propelente

    Cohetes qumicos

  • 57

    Varias formas de propulsin para cohetes

    Cohetes no qumicos

    En lugar de utilizar una reaccin qumica (combustin), los cohetes no qumicos utilizan energa elc-trica o energa trmica para acelerar y luego expulsar el propulsante. Los cohetes no qumicos vienen en una variedad de tipos, representativos de los cuales son los cohetes de propulsin de iones, que expulsan partcu-las ionizadas por medio de su aceleracin en un campo electro-magntico; y los cohetes de energa nuclear y cohetes de propulsin por fusin nuclear, que expulsan gas a alta temperatura calentando partculas livianas (por ejemplo de hidrgeno) en un reactor nuclear. Existen numerosas nuevas ideas para generar partculas de alta velocidad, tales como el cohete de luz quantum diseado para generar luz por medio de la reaccin entre la materia y la antimateria. Otra idea es la de un sistema en el cual el cohete mismo no transporta una fuente de energa sino que depende de un suministro de energa externa que convierte en energa cintica. Un ejemplo es un cohete que depende de un lser basado en tierra para excitar su masa de combustible subcrtica. Otro ejemplo es la vela solar, una enorme membrana que se despliega en el espacio y recoge la energa solar para mover el cohete, de manera muy parecida a la forma en que una vela mueve a un yate.

    Dos tipos de cohetes no qumicos han llegado actualmente a la etapa de aplicacin prctica: el motor de iones utilizado a bordo de la sonda de asteroides HAYABUSA, que aterriz recientemente en el asteroide

    Itokawa; y el motor de plasma que se est utilizando en un satlite en rbita geoestacionaria. Estos dos moto-res se llaman motores de propulsin de empuje lento debido a su bajo nivel de empuje. Los motores pueden acelerarse eficientemente utilizando una cantidad limitada de combustible y, por lo tanto, son apropiados para controlar satlites artificiales as como para misiones interplanetarias que suponen vuelos a travs de distan-cias significativas. Los otros tipos de cohetes no qumicos estn en la etapa de desarrollo.

    Los cohetes de agua no utilizan ninguna reaccin qumica pero adquieren empuje usando aire presuri-zado para lanzar el agua hacia afuera. Como tales, se podra decir que caen dentro de la categora de cohetes no qumicos. Por otro lado, los cohetes de agua tienen tambin algo en comn con los cohetes qumicos, ya que vuelan generando un empuje relativamente fuerte en un perodo corto de tiempo. En otras palabras, los cohetes de agua sufren un proceso de conversin de energa: energa por compresin del aire, energa cintica del aire (expansin), energa cintica del agua (expulsin), en tanto que

    los cohetes qumicos pasan por un proceso de energa qumica energa trmica energa cintica.

    Y con respecto a los cohetes de agua?

  • 58

    6-3 Para asegurar la estabilidad del vuelo

    Cualquiera sea la potencia del empuje, los cohetes no pueden alcanzar velocidades suficientemente altas a menos que la posicin de vuelo y direccin de la aceleracin sean controladas apropiadamente. Si el cohete gira como un petardo rotativo, la aceleracin hacia adelante ser imposible. Los cohetes reales dirigidos hacia el espacio exigen una precisin sumamente alta en trminos de posicin de vuelo y rbita. La duracin del vuelo de un cohete a travs de la atmsfera terrestre es muy breve. La mayor parte del tiempo transcurrir en el espacio exterior, donde el impacto de la fuerza aerodinmica es insignificante. Por lo tanto, el control de la posicin de vuelo (estabilidad de la posicin de vuelo) es extremadamente importante. En esta seccin nos referiremos a los cohetes de agua y explicaremos la manera de asegurar la estabilidad de la posicin de vuelo bajo el impacto de la fuerza aerodinmica.

    La gravedad de la Tierra afecta a todo lo que tiene masa. El centro de gravedad es el punto desde el cual el peso de un cuerpo o sistema podra ser considerado actuante. Cuando un cohete es sometido a una fuerza externa, tal como viento lateral, gira en torno a su centro de gravedad. Por lo tanto, se puede decir que el centro de gravedad del cohete durante el vuelo coincide con el centro de la rotacin de la posicin de vuelo. Durante el vuelo, un cohete est sometido al impacto del aire que fluye a su alrededor. Cuando se trata de aviones y planeadores, la fuerza aerodinmica puede dividirse en resistencia del aire, elevacin, fuerza rotacio-nal de la posicin de vuelo, y as sucesivamente. Nos referimos al centro de accin de la fuerza aerodinmica como el centro aerodinmico. Sin embargo, estrictamente hablando, la definicin de centro aerodinmico es distinta a la de centro de accin de la fuerza aerodinmica, y lo llamamos centro aerodinmico para simplificar. En el caso de cohetes con aletas, el cono de la nariz, el cuerpo del cohete (estructura) y las aletas son some-tidos a una fuerza aerodinmica en ese orden. Dado que el centro aerodinmico es el centro de accin de la fuerza aerodinmica, mientras ms grandes son las aletas del cohete, mayor es la fuerza aerodinmica que las afecta, con lo cual el centro aerodinmico se traslada hacia la parte trasera del cohete (el lado donde estn las aletas).

    Centro de gravedad y centro de fuerza aerodinmica

    El sistema estabilizador de la posicin de vuelo en base a fuerza aerodinmica se conoce como esta-bilidad aerodinmica. Tambin se conoce como estabilidad de veleta debido a su semejanza con una veleta, que siempre est de cara al viento. Que el cohete pueda mantener su estabilidad, es decir, que la veleta est de cara al viento como se desea, depende de la relacin de la posicin entre su centro de rotacin y el centro aerodinmico. Mirando una veleta, se puede ver que la mitad posterior (la seccin desde el eje de rotacin hacia atrs) tiene ms rea que la mitad frontal. Esta diferencia en el rea significa una diferencia en la canti-dad (presin) de viento en cada seccin, y esto genera un movimiento de rotacin alrededor del eje. Cuando el viento golpea un lado de la veleta, ste empuja y rota la veleta a sotavento porque la mitad posterior est sometida a mayor presin que la mitad del frente. Este desequilibrio permite la rotacin de la veleta. Cuando la veleta est alineada con la direccin del flujo del viento (= de cara hacia el viento), deja de rotar. Esto se

    conoce como estabilidad de veleta.

    Estabilidad de veleta (estabilidad aerodinmica)

  • 59

    Para asegurar la estabilidad del vuelo

    eje de rotacin

    centro aerodinmico

    centro aerodinmico

    centro de gravedad(centro de rotacin)

    Estabilidad de veleta Estabilidad aerodinmica del cohete

    La posicin de vuelo del cohete rota alrededor del centro de gravedad. En otras palabras, el centro de grave-dad del cohete es su eje de rotacin. Con cohetes sin aletas, ocurre usualmente que el centro de accin de la fuerza aerodinmica (centro aerodinmico) se mueve hacia delante del centro de gravedad del cohete. Si no se corrige la fuerza aerodinmica, el cohete girar alrededor de su centro aerodinmico. En estas condiciones, la nariz del cohete mirar a sotavento, es decir, hacia atrs. Las aletas trasladan el centro aerodinmico hacia atrs del centro de grave-dad. Cuando el cohete es sometido a una fuerza aerodinmica, las aletas girarn a sotavento y el extremo frontal del cohete gira hacia delante. Esto explica por qu un cohete de fuegos artificiales puede volar directo hacia arriba. Estos cohetes estn adheridos a la punta de una varilla larga. Si la varilla es demasiado corta, el cohete de fuego artificial no puede lograr un vuelo estable.

    Cuando est en vuelo, el cohete recibe viento de la direccin hacia donde se dirige. En todo momento, las aletas orientan la nariz del cohete hacia la direccin del movimiento. Por lo tanto, mientras ms grandes sean las aletas, mayor ser la estabilidad en la posicin de vuelo. Sin embargo, las aletas deberan ser de tamao moderado, ya que si son muy grandes aadirn demasiado peso al cohete.

    Agrandar el tamao de las aletas no es la nica manera de lograr la estabilidad de veleta. El lastre (el trozo de plastilina o arcilla de moldear para cohetes de agua) pegada en la punta del cohete puede tambin cambiar el centro de gravedad hacia adelante. En efecto, esto traslada el centro aerodinmico hacia atrs desde el centro de gravedad, contribuyendo as a la estabilidad aerodinmica. Este aspecto se toma tambin en consideracin en los cohetes reales; las cargas tiles pesadas, tal como el equipo de observacin, se colocan siempre tan hacia adelante como sea posible.

    Analicemos el papel vital que desempean los rieles de gua del lanzador. Un cohete, estabilizado como ve-leta, vuela hacia el viento. Si se lo acelera lo suficiente, recibe viento desde el lado expuesto al viento que le permite volar recto a lo largo del ngulo fijado en el lanzador. Si el cohete es sometido a un sbito viento lateral antes de lograr suficiente velocidad, su posicin de vuelo cambiar y girar en direccin al viento lateral. Aqu se aprecia la impor-tancia de los rieles de gua. Como stos permiten al cohete mantener su posicin de vuelo hasta que logre suficiente velocidad, el cohete no girar hacia un lado aunque sea golpeado por fuertes vientos laterales.

    Saba que muchos cohetes grandes no tienen aletas? Aunque las aletas pueden estabilizar la posicin de vuelo de un cohete, tambin podran causar un cambio de la direccin del vuelo en direccin del viento lateral. En otras palabras, las aletas son vulnerables al viento. Lo que es ms, la estabilidad aerodinmica que brindan las aletas no funciona en el espacio exterior, donde el aire escasea y donde la fuerza aerodinmica no cumple ninguna funcin. Para cohetes cuya misin principal es desplegar un satlite artificial dentro de su rbita predeterminada con la mayor precisin posible, las desventajas de las aletas podran significar el fracaso de una misin. Se pueden lanzar cohetes grandes dotados de equipo de control de alta precisin a pesar de su inestabilidad aerodinmica. En lugar de aletas, el sistema de bordo de control de la posicin de vuelo asegura la estabilidad de la posicin de vuelo.

  • 60

    Para asegurar la estabilidad del vuelo

    La estabilizacin de la rotacin, basada en la fuerza de rotacin, es un mtodo para estabili-zar la posicin de vuelo del cohete sin tener que recurrir a la fuerza aerodinmica. El proyectil de un can, animado de una rotacin de alta velocidad por el barril rayado en espiral del can, puede dirigirse hacia su blanco mientras mantiene su posicin de vuelo. De hecho, la estabilizacin de la rotacin, que logra la estabilidad de la posicin de vuelo mediante la rotacin del cuerpo, se utiliza a menudo en cohetes y satlites.

    Estabilizacin de la rotacin

    Los principios expuestos tambin se aplican a los cohetes de agua. La estabilidad aero-dinmica (estabilidad de veleta) es necesaria para que el cohete vuele recto, y necesita aletas para trasladar el centro aerodinmico hacia atrs en relacin con el centro de gravedad. Ade-ms, el lastre se pega en la nariz del cohete para trasladar el centro de gravedad hacia adelan-te. Es mejor reducir el peso del lastre y aumentar el tamao de las aletas? O es mejor poner aletas pequeas y emplear una cantidad proporcionalmente mayor de lastre? Cul es la mejor solucin si se necesita reducir la masa total mientras se mantiene la estabilidad aerodinmica? Otra pregunta se refiere a la manera de armonizar la diferencia entre el centro de gravedad in-mediatamente despus del lanzamiento, cuando todava queda bastante agua en la botella, y el centro de gravedad, despus de que toda el agua ha sido expulsada. Resolver estos problemas

    puede se interesante al investigar los medios de mejorar su cohete. Las aletas fijadas en un ngulo inferior a 90 grados darn lugar a una fuerza de rotacin

    engendrada por la fuerza aerodinmica durante el curso del vuelo, proporcionando una estabili-zacin de la rotacin. La estabilidad aerodinmica hace al cohete vulnerable a vientos laterales. La estabilizacin de la rotacin lo hace invulnerable a los vientos laterales, permitindole man-tener su posicin de vuelo inicial. En trminos de trayectoria balstica del cohete, los cohetes estabilizados aerodinmicamente vuelan a lo largo de sus trayectorias mientras que los cohetes cuya rotacin est estabilizada tienden a seguir volando en su posicin de vuelo inicial. En otras palabras, cuando caen, los primeros lo hacen con la nariz apuntando hacia el suelo, en tanto que los ltimos lo hacen con la nariz hacia arriba. Qu diferencias hallar entre cohetes con aletas que rotan mientras vuelan, y aquellos que vuelan sin rotar?

    Y con respecto a los cohetes de agua?

  • 61

    6-4 Resistencia de las botellas de polietileno tereftalo (PET)

    Hasta ahora hemos advertido sobre el riesgo de que las botellas estallen debido al exceso

    de presin de aire. Cul es el punto especfico de peligro? Cmo saber en qu momento se aproxima el peligro? Tambin hemos advertido que no se debe intentar experimentar para encontrar respuestas a estas preguntas, ya que hacerlo es peligroso. Cuando se trata de cohetes reales, hay que calcular con exactitud la presin idnea para lanzar el combustible (conocida como presin de combustin), al tiempo que se reconoce que estar limitada por la resistencia de los materiales estructurales empleados para construir la cmara de combustin. Cmo determinar el tope o techo de la presin de la cmara de combustin? La nica manera es probar varios modelos y realizar ensayos para detectar defectos o averas. Al efectuar ensayos de presin no es conveniente utilizar gases, tales como aire. Se utiliza un lquido, por ejemplo agua, para determinar la presin inmedia-tamente antes del colapso o falla. Por medio de esta simulacin de fenmenos potencialmente pe-ligrosos en un ambiente seguro, se prueba lo desconocido y lo que se desea conocer. Para facilitar estos esfuerzos se aplica una serie de mtodos, ideando equipos para probar la presin a base de lquidos, utilizando dispositivos de control remoto que permitan realizar experimentos en lugares inaccesibles, y utilizando construcciones reforzadas, entre otras cosas.

    Los cohetes de agua tienen mucho en comn con los cohetes reales. Por ello la construccin de cohetes de agua no slo es interesante sino tambin un desafo. Al mismo tiempo, significa que los participantes pueden lesionarse gravemente si se escoge un mtodo equivocado. Asegrese de que comprende los fundamentos de la cohetera de agua para que pueda disfrutar con seguridad fabricando cohetes de agua junto a sus estudiantes.

    Pruebas de resistencia de cohetes reales

  • Recomendamos el uso de boquillas del comercio a fin de garantizar la seguridad del lanza-miento. Aunque estas boquillas son comercializadas por vendedores japoneses, la mayora de ellos slo tratan con el mercado local. Para su informacin, incluimos aqu los detalles para contactarlos: Yumegoya: Tel/Fax:0583-71-3453

    http://www5f.biglobe.ne.jp/~yumegoya/TOP Pet Bottle Craft Association, Japan: Tel:0429-69-1710 Fax:0429-69-1707

    Para compras en lnea: http://pcaj-i.jp/

    Centro de Educacin Espacial JAXA: http://edu.jaxa.jp/ En este sitio web se encuentran un manual y el correspondiente DVD para educadores.

    Una bsqueda de sitios web dedicados a cohetes de agua (water rockets) le brindar una

    gran seleccin que cubre un amplio espectro que va del entretenimiento a la educacin. Algu-nos sitios son obra de aficionados a los cohetes de agua que desean crear nuevos diseos o que estn compitiendo por el rcord mundial de lanzamiento.

    Se indican a continuacin algunos sitios web sobre cohetes de agua que creemos sern de inters para los educadores:

    WikipediaBuen sitio para empezar: explica el funcionamiento de los cohetes de agua, cuestiones de se-guridad y de competiciones, y proporciona enlaces externos. http://en.wikipedia.org/wiki/Water_rocket

    Gua para construir cohetes de agua y comprender sus principios fsicospor Dr. Michaer de Podesta y NPLwww.npl.co.uk/waterrockets

    Este folleto explica cmo funcionan los cohetes de agua, cmo construirlos y optimizar su rendimiento, as como los principios fsicos en que se basan. Est relacionado con la compe-ticin NPS de cohetes de agua (NPL Water Rocket Challenge), en la que participan escuelas

    en categoras de jvenes y adultos, y ofrece tambin orientaciones para organizar su propia competicin de cohetes de agua.

    Cohetera de Agua por la NASA (Water Rocketry by NASA)http://exploration.grc.nasa.gov/education/rocket/rktbot.html

    Se recomienda este sitio a maestros de ciencias, especialmente aquellos que ensean en los dos ltimos aos de educacin secundaria. Proporciona materiales que incluyen principios cientficos y matemticos relacionados con la cohetera de agua, programas de simuladores, planes para lecciones, directrices de seguridad, etc.

    Referencias

    62

    Sitios web de cohetes de agua

    Dnde encontrar partes y piezas para cohetes de agua

  • Cohetes de AguaManual del Educador

    Jefe de Editores y Redaccin (de la versin ingls) Nobuaki Ishii Instituto de Ciencias Espaciales y Astronutica, JAXA,

    Profesor

    Edicin y Redaccin (de la versin ingls)

    (Equipo del Programa Educativo)

    Consultor Sumio Endo Centro de Educacin Espacial JAXA, Consultor

    Ichiro Momose Musashino, 4ta Escuela Secundaria Jr., Maestro

    Masayuki Ishii Escuela Primaria Kudan, Maestro

    Yasuhiro Endo Tachikawa, 4ta Escuela Secundaria Jr., Maestro

    (Equipo de Produccin de Cohetes de Agua)

    Yutaka Wada Escuela de Ciencias Fsicas, La Universidad de

    Graduados para Estudios Avanzados, candidato a Ph.D.

    Toshinori Katsumi Escuela de Ciencias Fsicas, La Universidad de

    Graduados para Estudios Avanzados, candidato a Ph.D.

    Masashi Miura Escuela de Ciencias Fsicas, La Universidad de

    Graduados para Estudios Avanzados, candidato a Ph.D.

    Fotografa Ryousei Onaya

    Katsunori Maeyama

    Ilustracin Koji Kanba

    Traduccin Winds, Ltd.

    Cooperacin Escuela de Ciencias Fsicas, La Universidad de Graduados para Estudios Avanzados,

    Proyecto de Cohetes de la Universidad de Graduados Tokai, Escuela Primaria Kyowa.

    Publ