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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

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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.

Ley de Pascal.

Caída libre con rozamiento.

Aerodinámica

Medición de ángulos y trigonometría

Cálculo de Alturas

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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

Cinta transparente

Tijeras

Bomba de bicicleta

Agua

Aguja gruesa de inflar balones o de recargar tinta de impresora

Manguera transparente de acuario

Válvula de neumático o caucho de carro

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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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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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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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.

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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

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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

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,

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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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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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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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