Cohetes de AguaManual del Educador

Organismo de Exploracin Aeroespacial del Japn

PrlogoLos cohetes de agua son fciles de construir con materiales que se encuentran 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 comprendan 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 tambin 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 mantener 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.

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.

ContenidoCaptulo 1 C o n s tru c c i n c o h e te s e a g u ay o b je tiv o p ed a g g ic o s de d s 11 Cohetes de agua - pasado y presente 12 Objetivos pedaggicos 5 6 9

Captulo 2 Preparativos para la construccin de cohetes de 11 agua 21 Terminologa del cohete de agua y el lanzador 22 M a te rialene c e s ariopa rafa b ricael coh e te e a gu ay el lan za d o r s s r d 12 14

23 D ia g ra m a d e c o n s tru c c i n d e l c o h e te : d e la c o n s tru c c i n a19 n z a m ie n to l la Captulo 3 Fabricacin del cohete de agua 31 Qu necesitar 32 Preparacin del aula 33 Proceso para construir el cohete de agua Captulo 4 Fabricacin del lanzador 41 Planificacin del lanzador 42 Preparacin: Lista de materiales y herramientas 43 Proceso de construccin del lanzador 21 22 23 24 31 32 34 36

Captulo 5 Lanzamiento 51 Preparacin para el lanzamiento 52 Herramientas y equipo necesarios para el lanzamiento 53 Personal de lanzamiento y funciones 54 Organizacin del sitio de lanzamiento 55 Ensayo del lanzamiento Captulo 6 Principios de la cohetera de agua 61 Principios que rigen los vuelos de cohetes 62 Varias formas de propulsin para cohetes 63 Para asegurar la estabilidad del vuelo

39 40 41 42 44 46 49 50 56 58

64 Resistencia de las botellas de polietileno tereftalo (PET) 61 Recursos 62

Captulo

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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.

1-1

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 construccin en un colegio, o como actividad comunitaria.

Historia de los cohetes de aguaEn 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.

Los cohetes de agua en la actualidadEn 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 informacin 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 nmero 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,

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Chile y Espaa.

7

Cohetes de agua - pasado y presente

Los cohetes de agua en el JapnA comienzos de los aos 1980 se inform acerca de estudios sobre cohetes de agua realizados 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 difundido 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 cientficas comprenden secciones sobre cohetes de agua.

Cohetes de agua para aplicacionesA 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 significativamente 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

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Cohete de varias etapas Utiliza dos, tres o ms botellas

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C Cohetes de agua - pasado y presente

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

Cohete de tipo experimental Toma fotografas areas mediante cmaras de imagen fija o de vdeo

Competiciones de cohetes de aguaEn todo el pas se realizan competiciones de cohetes de agua, auspiciadas por grupos, colegios 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 participantes 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 lanzamiento son constantes para todos los participantes; y programas en los que los participantes 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).

1-2

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 pueden 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.

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

DESTREZAS HABILIDADES Y INDIVIDUALES QUE SE ESPERASERNADQUIRIDAS1. 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 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.

1 10

Captulo

2

Preparativos 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.

2-1

Te rm in o lo g a l c o h e te d e a g u a y e l la n z a d de

Terminologa del cohete de agua

Lastre (plastilina): Mantiene la estabilidad aerodinmica durante el vuelo

Cojn: Reduce los daos del cohete cuando retorna a tierra

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

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

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

Aletas: Se fijan a la parte trasera del cuerpo del cohete para asegurar la estabilidad aerodinmica durante el vuelo Boquilla: Pieza por la cual sale el agua del cohete Se enrosca en el pico de la botella PET

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Terminologa del lanzador

Lanzador: Dispositivo desde el cual se lanza el cohete Rieles gua: Dan soporte al cohete de agua hasta que su vuelo se estabiliza. Cada uno debera medir de 60 a 80 cm.

Graduador de ngulo de lanzamiento: Permite medir el ngulo de lanzamiento

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

Materiales necesarios para fabricar el cohete de agua y el lanzador Lminade PVC (o cualquierlminadelgadade plsticoflexiblepero fuerte) 10cm.x 20cm.

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 botella, 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.

Tipos de botellas no apropiadas para cohetes de agua (cilnd rica s y pa ra u so de be bid a s ga se osas) tiliza r nica m e nte bo tella s cilnd rica s) (u

Botellas apropiadas para cohetes de agua

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.

1 Carpeta plstica, tamao carta, aprox. 21,6cm. x 27,94cm. (A4)Se utiliza para hacer el faldn. Disponible en cualquier papelera, etc.

Plastilina o arcilla para moldear, aprox. 50g.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 apropiado de bolas individuales de plastilina o arcilla para moldear, de unos 50 g cada una.

1 bolsa plstica (para el cojn: bolsa de basura con capacidad para 45 litros)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 Cinta adhesiva de vinilo CortadorLa cinta adhesiva de vinilo se utiliza para unir partes y materiales. Los nios pueden combinar una variedad de cintas de varios colores para crear sus propios diseos coloridos.

BoquillaComo medida de seguridad, recomendamos firmemente 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 pueden utilizar repetidamente.

Herramientas y equipoMientras que la mayor parte del trabajo de corte se puede realizar con un par de tijeras comunes, 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.

TijerasEl tipo de tijeras como las que se muestran se utilizan 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.

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 herramientas, 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.)

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

Madera contrachapadaSi se va a fabricar los cohetes en un aula, el gimnasio 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 mueble o el suelo de madera.

Marcador permanenteSe 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 diversos colores puede aumentar el disfrute del proceso de fabricacin, ya que permiten que sus estudiantes adornen los cuerpos de sus cohetes.

Materiales necesarios para fabricar un lanzador Materiales necesarios para fabricar un lanzadorEl lanzador que describimos en este manual es simple de fabricar y para ello se utilizan materiales 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.

Planchasde madera:2 tipos de cada una para el riel de gua y seccionesde 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 piezasEstas 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

2-3

D i a g r a mc o n s t r u dc eccl i o h edt el a c o n s t r u acllca in zn a m i e de a n :

Preparacin de los materiales

Aletas

Fabricacin del faldn (aletas de la cola) Fabricacin del cono de la nariz

Ensamblaje

Fabricacin del lanzador

Lanzamiento

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Captulo

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Fabricacin 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.

3-1lista de comprobacin.

Qu necesitar

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

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 BalanzaAntes de comenzar, examine las botellas de PET de los nios para verificar que no tengan

ningn dao ni defecto.

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3-2Pegue el canto de madera contrachapada como medida de seguridad Disponga un tapete por persona para cortar.

Preparacin del aula

Mantenga en una caja el cortador, las tijeras, etc., y vuelva a guardarlos despus de su uso. Cubra los escritorios con madera contra chapada u otro material apropiado para protegerlos de cualquier dao.

* Mantenga el rea de trabajo bien iluminada..

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.

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3-3

Procesode fabricacin del cohetede agua

1. Cmo hacer las aletas1-1 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.

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.

2 24

Proceso de fabricacin del cohete de agua1-2 Prepare la base de la aleta

Divida la base de cada aleta en cuatro partes iguales, 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.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 cohete2-1 Envuelva la carpeta plstica (transparente) alrededor del 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.

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Proceso de fabricacin del cohete de agua2-2 Corte un rectngulo en carpeta plstica (transparente) largo dela lnea marcada la a lo

Una vez cortado el rectngulo del faldn, envulvalo alrededor del cuerpo del cohete.

2-3 Divida el rectngulo del faldn en cuatro partes iguales y haga dobleces 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.Carpeta plstica (transparente)

Botella de PET

Envuelva la lmina alrededor de la botella y mrquela con un marcador permanente.

Doble el rectngulo por la mitad y haga un doblez

Doble de nuevo cada mitad y haga un doblez

Corte a lo largo de los dobleces y lneas marcadas

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

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

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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.

2-6 Fije el faldn al cuerpo del cohete

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.

3. Fabricacin del cono de la nariz3-1 Marque la otra botella con lneas de gua para los cortes

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.

3-2 Haga cortes parciales con el cortador

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.

3-3 Corte a lo largo de las lneas

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.

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4. Coloque el cono de la nariz4-1 Coloque el lastre

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

4-2 Determine el centro de gravedad Coloque el cohete sobre su dedo para determinar el centro de gravedad. El centro de gravedad debera estar ms cerca del cono de la nariz que del centro fsico real de la botella de PET.

Lastre

Centro de gravedad

Centro

4-3 Coloque el cono de la nariz

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

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

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

4-5 Selle el 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 finalEl 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.

Estn las aletas verticales con respecto al cuerpo del cohete? Est torcido?

Est la cinta adhesiva Sobresale ligeramente la pegada adecuadamente? boquilla del faldn?

Captulo

4

Fabricacin del lanzador

Aunque en el mercado se encuentran varios tipos de lanzadores, aqu le ofrecemos 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.

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 lanzadorEn 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 lanzamiento, 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 cotidiano. 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 construccin 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.

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Planificacin del lanzador

Base de laboratorio como lanzador

Este lanzador utiliza una base ordinaria para experimentos 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.

Lanzador listo para usar

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

Lanzador vertical simpleEquipado con una varilla de metal como riel de gua, el nico propsito de este lanzador es enviar 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 lanzamiento. Este lanzador es una estructura simple sin mecanismo para ajustar el ngulo de lanzamiento. Es apropiado para lugares de lanzamiento con un rea limitada.

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4-2Materiales

P re p a ra c i n : L is ta d e m a te ria le s y h e rra m

4 rieles de gua 3 placas para el riel de gua 1 placa (corta) para riel de gua 1 placa inferior para riel de gua 1 placa base (grande) 1 placa base (pequea)

20mm. 20mm. 800mm. (largo) 220mm. 120mm. 10mm. (espesor) 60mm. 120mm. 10mm. (espesor) 800mm. 800mm. 10mm. (espesor) 600mm. 800mm. 10mm. (espesor) 800mm. 800mm. 10mm. (espesor)

Para los elementos a se recomienda utilizar madera contrachapada hidrfuga.

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Preparacin: Lista de materiales y herramientas

Materiales listos para usar

gancho de aprox. 22mm. dimetro anillo de aprox. 16mm. dimetro

2 ganchos (accesorios para colgar lmparas) 2 anillos de tornillo 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) 6 clavos de acero inoxidable (grandes) Cola para madera Barniz para madera a base de aceite 1 cinta adhesiva de vinilo o cinta adhesiva de doble faz

20 - 25mm. de largo 35 - 40mm. de largo lo necesario lo necesario

HerramientasSe necesitan las herramientas siguientes: Martillo Sierra Brocha Destornillador Lpiz

35

Proceso para construir el lanzador

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

Riel de gua

Ensmblelos en forma de caja.

piezas C la vo (pe q u e o )

3

1 piezaClavo (pequeo) Placa donde se fija el riel de gua (corta)

160mm.

Placa donde se fija el riel de gua

Dibuje lneas diagonales en la placa de base 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

Lnea diagonal

Ponga clavos tambin en la plancha de fijacin

Aplique a la madera barniz o laca a base de aceite

3 37

Placa de fijacin (corta)

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

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

70mm.

Atornille los ganchos en los puntos ilustrados.

60mm. 100mm. 70mm. 100mm.

Atornillar los anillos de tornillo

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

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.

Conecte los ganchos en los anillos de tornillo Etapa final

Fije la cadena en los clavos

Captulo

5

Lanzamiento

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.

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.

Ejemplo de un sitio de lanzamiento 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.

Consejos para el lanzamiento Lanzadores 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. ire B o m b a d e a D e s d e e l p u n to d e v is ta d e la s e g u rid a d , re c o m e n d a m o s e l u s o d e u n a b o m b a d e a ire e q u i

m e d id o r d e p re s i n . E x is te n b o m b a s q u e tie n e n u n a m a n g u e ra la rg a , e s p e c fic a m e n te d is e

c o h e te s d e a g u a . B o m b e a r s e re fie re a l p ro c e s o d e in tro d u c ir a ire d e n tro d e l c o h e te p a ra p P re p a ra c i n d e l Cuando el cohete despega, despide una considerable cantidad de agua alred r e a d e la n z a ie n to m edor del rea de lanzamiento. Sugerimos que coloque una lmina de plstico e ua S u m i n i s t r o d a gdebajo 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 suministrar la misma cantidad de agua a cada cohete.

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5-2

H e r r a m ie n e aqsu ipnoe c e s a rpio s a ll a n z a m ie n t o yt a re Lanzador Lmina de plstico

Embudo Taza de medir

Equipo de lanzamiento

Banderines Cubo de agua

Conos de colores B o m b a d e a ire (c o n m e d id o r d e p re s i n )

Tiza y dosificador

Cinta de medir (100-200 m)

Megfono y/o Micrfono

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Personal de lanzamiento y funciones

Responsabilidades del personalOficial 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 menudo 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.

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Personal de lanzamiento y funciones

PersonalDisponga dos lanzadores por cada 20 estudiantes. (Cada estudiante construir su propio cohete.) Oficial de control de lanzamiento: Oficiales de medicin: Oficial de registros: Oficiales de bombeo de aire: Oficiales de agua: Total: 1 2 (p u e d e n a ctu a r co m o o ficia le s d e re cu p e ra ci n a l m ism o tie m p o ) 1 2 1-2 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 dems tareas a los nios. Asegrese que los nios comprendan cabalmente sus respectivas tareas, brindndoles previamente un instructivo completo.

O ficia le s d e vig ila n cia d e se g urid a d /re cu p e ra ci3 : 2- n

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O Organizacin del sitio de lanzamiento

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 obstruida. 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 cohetes. Esta rea debera tambin estar por lo menos a 3 m detrs del lanzador. Verifique doblemente para asegurarse que la distribucin del rea evite que los nios se junten alrededor del lanzador.

Posiciones del personal durante el lanzamiento 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.

Consejos para 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 lanzamientos de prueba, comenzando con la presin de aire ms baja efectiva para verificar la canti-

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5-4

Organizacin del sitio de lanzamientoO

dad de agua y la presin de aire, el ngulo del lanzador y el viento, etc.

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5-4

Ejemplo de distribucin del sitio de lanzamiento

Organizacin del sitio de lanzamiento

Oficial de recuperacin

Oficial de vigilancia de seguridad

50 m o ms Campo de lanzamiento Oficial de vigilancia de seguridad

3m

Oficial de bombeo de aire

Oficial de control de lanzamiento Nios esperando lanzar sus cohetes

Oficial de llenado de agua

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E Ensayo del lanzamiento

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

Proceso de lanzamientoUna vez que se han ubicado en el sitio de lanzamiento, explique a los nios el proceso de lanzamiento. 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 estar 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 lanzamiento. 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 lanzamiento. Despus de la recuperacin de los cohetes, indique que se ha completado el lanzamiento. Es responsabilidad del oficial de control de lanzamiento.

Asegurar 5-5 la seguridad del lanzamiento del lanzamiento EnsayoAsegure 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.

Suspensin del lanzamientoEl oficial de control de lanzamiento debe anunciar la suspensin del lanzamiento en los casos siguientes: Presencia de personas en el campo de lanzamiento Un fuerte viento o una rfaga Otros casos en los que el oficial de control de lanzamiento decida que se debe suspender el lanzamiento.

Procedimiento de lanzamiento

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CaptuloP

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Principios 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 esperamos le ayudarn cuando ensee a sus estudiantes la fabricacin de cohetes de agua.

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P rin c ip io s q u e rig e n lo s vd e lc o h e te s os u e

Fabricacin de cohetes y elementos tecnolgicosEn 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 necesitauna cantidadincreblemente grandede energapara que un coheteescapede la gravedad de la Tierra y llegue al espacio. Por lo tanto, el combustibleforma la mayor parte del peso del cohete. Reforzar y alivianar los materiales estructurales,perfeccionarel rendimientodel propelente,y lograr un controlpara un rendimiento ms preciso. . sern siempre un reto para los ingenieros . aeroespaciales. Al comienzo,la elaboracinde mecanismode separacinresult un desafo muy difcil. Al ensamblar un cohete multi-etapa se utiliza un mecanismo conocido como el acople de separacin para conectarla primera y segunda etapas. Durante la primera etapa de combustin,despus del lanzamiento, el acople de separacin,que forma parte integrantedel cohete, tiene que mantenerslidamenteunidas la primera y la segunda etapas. Las etapas tienen que separarse sin falla momento en que combustin el en la de la primera etapa termina y se preparala segundaetapa parala ignicin.Actualmente se puede escoger en una variedad mecanismosde separacin, tales como dispositivos pirotcnicos,por lo que estos de componentesfunda- mentaleshan ganado en confiabilidad. pesar de ello, todos los participantesen el A lanzamientode cohetes permanecen siempre al borde de sus asientos desde el momentodel lanzamiento hasta que el satliteartificial se ha separado con seguridad la etapa final del de cohete.

Y con respecto a los cohetes de agua?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 desempeo 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 necesitarn mucha experiencia e ingenio para disear, construir y manejar con seguridad la separacin y los mecanismos del chorro de agua de la segunda etapa.

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P Principios que rigen los vuelos de cohetesEn las siguientes secciones, explicaremos las clases de fuerzas que genera un cohete mientras 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 principio de propulsin a reaccin) y la Ley de Conservacin del Momentum.

L e yd e A c c i n R e a c c i Te rc e ra e yd e N e w to n p rin cip io e p ro p u ls i nre ac c i n ) y n/ L (= d aSi 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 expulsado de su cuerpo. El cohete se carga con combustible slido o lquido. Al quemarse el combustible 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.El globo expulsa aire para volar El cohete expulsa combustible para ganar altura

Accin

Reaccin

Accin Reaccin

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

51

Y con respecto a los cohetes de agua? 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 transporta. 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.Accin Agua Aire Reaccin

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

Ley de Conservacin del MomentumMasa 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 aplicaremos 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 supuesto 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 Velocidad inicial Velocidad de lanzamiento Cantidad de aceleracin

Velocidad original Combustible

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

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 compensarel momentum del combustibleque ha sido expulsado.De este modo, podemos concebir fcilmente el movimientodel cohete aplicando concepto de momentum.Sin embargo,notar que con un cohete real el combustible el se quema durante perodo determinadode tiempo y no en un instante. Por lo tanto, la velocidadfinal un del cohete es igual a la velocidad obtenida mediante sumatoria sucesi de la ecuacin (A) la va anterior. Por ejemplo,la velocidadrequeridapor un satlite artificialque gira alrededorde la rbita de la Tierra es de aproximadamente km/s, es decir, 28.500km/hora,lo que casi equivalea un sorprendente 7,9 Mach 23. Qu se debe hacer para que cohete alcance una velo el cidad tanasombrosa? Para acelerar el cohete como en la ecuacin (A) mencionada anteriormente, hay tres mtodos posibles: 1) Aumentar la velocidad del gas que est siendo expulsado Una 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.

2)Aumentar la masa (m) del combustible que va a ser expulsado Para aumentar la masa de combustiblem 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 agrandarel fuselaje del cohete y el tamao de los dems compo- nentes y acoples. Para decirlo de otro modo, aumentarla masa de combustible m da como resultadoel aumentode la masa del cohete M. De ah que aumentarsolamentem sin aumentarM sea, en efecto, exactamente mismo que reducir masa del fuselaje del lo la coheteM. Segn se analiz anteriormenteen el apartado 1), es aconsejablereducir el peso molecularde los gases a fin de aumentarla velocidad de su expulsin.El peso molecularde los gases puede ser expresado como peso del combustibleque es expulsadoen una sola vez. Mientrastanto, la masa de el combustible m significa la cantidad acumulativade la masa de gas expulsada. En pocas palabras, es posible mejorar rendimiento empuje el del expulsando muchogas, que tieneun peso molecularmeno a lo r, largo de un pe- rodo prolongadode tiempo. Sin embargo,en caso de lanzar un gas que tiene un peso molecularms bajo, la aceleracintoma ms tiempo debido al menor empuje, aunque en definitiva se obtenganvelocidades ms altas. Por lo tanto, durante la primera etapa del vuelo, que requierela mayor cantidad de empuje, el cohete H-IIA de Japn y el Space Shuttle (Transbordador Espacial)de Estados Unidosempleanun aditivo de combustible slido que aumenta la potencia. 3)Reducir la masa M del fuselaje del cohete Para reducir la masa del fuselaje del cohete, o M, los ingenierosrecurren a materialesfuertes 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.Desecharlas etapas intiles es una manera efectiva de aumentarla velocidad del cohete. Gracias a la tecnologa moderna, la masa del fuselaje del cohete (incluyendo el depsito de combus- tible, motor, etc.) ha sido reducidahasta aproximadamente 20% de la masa total del cohete el (comprend- do el combustible). reducciones adicionales de masa de la estructuradel fuselaje(es i Las la decir, un valor de un solo dgito) depende de que se disponga de materiales y componentes estructuralesinnovadores, que abrirn nuevos horizontes paraconstruccin de cohe espaciales en futuro. la tes el

Y con respecto a los cohetes de agua?Las medidas para mejorar rendimiento del empuje en cohe de agua son bsicamente las el tes mismas que las aplicadas los cohetes reales. En caso de un ohete de agua, su capacidad para a el c alcanzar distancias mayores depende de que haya alcanzado una ve suficientemente elevada locidad cuandose agote su combustible (aguaaire presurizado). La velocidad cohete se puede y del 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,advertimosde que una presin excesiva podra tener como resultado estallido de la botella de PET. De tal manera que es aconsejabledeterminarla el presin solamente despusde haber consideradodebidamente presinmximade seguridadque la resiste la botella. Asegresetambin de verificarcon suficienteanticipacinque su botella no tiene ningn de- fecto. El uso de un lquido ms liviano que el agua podra tambinservir para aumentarla velocidadde expulsin. Sin embargo, NO utilice lquidos inflamables, tal el alcohol, que son como

muy peligrosos.

El uso de un material pesado de alta densidad, como agua salada, afectara realmente el rendimiento?Qu sucederasi usara agua gaseosa,que genera gas cuando la presin dentro del depsito disminuye? Pngase a prueba realizando experimentos para encontrar las respuestasa estas preguntas. Qu sucederasi 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 reducela presininterna a una velocidadmuchomayor. Por otro lado, mientrasms pequeosea el orificio, msdurar la aceleracinporque la expulsin del agua demorar ms. Debe existir un tamaoptimo para orificio. el

2)Aumentar la cantidad de agua que va a ser expulsadaMientras mayor sea la cantidad de agua, ms tiempo necesitarla aceleracindel cohete. Sin embargo,demasiadaagua significa un volumen proporcionalmente ms pequeo de aire, que reduce lapresin 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. Llevandolas cosas al extremo opuesto,no se obtendrsuficientevelocidadsi la cantidadde agua es insuficiente;recuerde,el empuje es generadopor el agua que est siendo expulsadadel cohete.La cantidadde agua debera ser de aproximadamente cuarto o un tercio un del volumen cbico de la botella. Si desea aumentarla cantidad de agua mientras mantiene el volumen de aire presurizado, puede disear un cohete con depsitos independientes y aire. agua de Este mtodo se asemeja a la construccinde un cohete de agua de mayor tamao con un depsitode gran capacidad.Le alentamosa utilizar su imaginacinal considerareste problema, pero cuideque su cohete de agua sea fuerte y seguro.Verifiqueque todos los acoplesy conexiones sean perfectamente hermticos.

3)Disminuir la masa del cohete de aguaNUNCA intente desbasta limar, rebanar o reducir de otro modo el peso de la botella de r, PET porquecorre el riesgo de que sta explote. Lo importantees alivianar el cuerpo del cohete eliminando losaccesorios innecesarios.Recuerde, sin embargo, que los accesorios incluyen las aletas, el faldn y el lastre de plastilina o de arcilla para moldea todos los cuales son r, indispensablespara lograr un vuelo estable. De hecho, el cohete no puede volar recto sin las aletas y el lastre. Demasiadoes tan perjudicialcomo muy poco. Cules son el tamao y peso mnimosaceptablespara estas importa tes partes? n-

4)Minimizar la resistencia del aireEs tambin muy importante minimizarresistencia del aire durante vuelo. Porlo tanto, la el con- vienefabricar el exterior del cohete tan liso y suave como sea posible y reducir al mnimo las partes sobresalientes los accesorios y innecesarios.

6-2

Varias formasde propulsinpara cohetes

Los cohetes obtienensu empuje lanzandocombustiblehacia atrs a altas velocidades.A lo largo de los aos se han propuestovarios sistemasde propulsin.La clave para crear propulsinde alto rendimiento en co- hetes es la conversineficientede energaqumicaalmacenadaen el cohete,en energatrmica.Los cohetes quecrean propulsinconvirtiendoenerga qumica en energa cintica se conocen como cohetes qumicos, mientras aquellosque conviertenenerga elctricao trmica en energacinticapor mtodos que distintos de la combustin se llaman cohetes no qumicos. En el siguiente anlisis presentamoslas caractersticas de estos dos tipos de coheteslos comparamos con mecanismo de propulsin de un coheteagua. y el de

Cohetes qumicosLos cohetes qumicoscrean propulsingracias al producto qumico que se genera al quemarseuna sus- tancia. cohetestienen que funcionaren un ambienteen el que el aire es muy poco denso;cuandose Los trata de colocar un satlite artificial en rbita, ambientees ms o menos un vaco. Naturalmente, no hay el oxgeno suficiente para quemar el combustibleque crea la propulsin.Por lo tanto, el cohete tiene que transportarno slo el combustiblesino tambinel oxgeno(el oxidante).sta es la diferenciaesencialentre el cohete y los motoresa chorro. Las aeronavesde propulsina chorro transportansolamentecombustible. Crean propulsin succionando aire del ambiente que contiene oxgeno y usndo para quemar su lo combustible. Para crear propulsin,los cohetes qumicos estn diseadospara generar gas a alta temperatura y presin por medio de una reaccinqumica (combustin), arrojandoel gas resultante.En la categorade los cohetes qumicos, los cohetes slidos utilizan propulsantesslidos y oxidantes; los cohetes lquidos utilizan propulsantes lquidos, y los cohetes hbridos utilizan ambos. Los cohetes slidos queman un propulsanteque contiene un oxidante granulado.En cohetes lquidos, el combustiblelquido y el oxidante lquido,almacenados depsitosseparados,se mezclanen la cmara de combustiny se queman.Con en respecto a los cohetes hbridos, roca un oxidante lquido en el combustible slido, que luego se se quema.Todos los vehculosde lanzamientode gran tamao que estn actualmenteen uso alrededordel mundo (los cohetes H-IIA y M-V japoneses, Space Shuttle (TransbordadorEspacial)estadounidense, el el cohete Ariane europeoy el Soyuz ruso) son cohetes qumicos.Encendedor Cmara Botella con gas a presin Depsito de combustible Propelente Depsito del oxidante Cmara de combustin Depsito de combustible Depsito del oxidante Bomba turbo Cmara de combustin

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Varias formas de propulsin para cohetes

Boquilla

Boquilla

Boquilla

Intercambiador de calor

Cohete slido

Cohete lquido (alimentado por presin)

Cohete lquido (tipo bomba turbo)

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Cohetes no qumicosEn lugar de utilizar una reaccin qumica (combustin),los cohetes no qumicos utilizan energa elc- tricao energa trmica para acelerary luego expulsarel propulsante.Los cohetes no qumicosvienen en una variedadde tipos, representativos los cuales son los cohetesde propulsinde iones, que expulsan de 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 nuclea que expulsan gas a alta temperatura calentando r, partculas livianas (por ejemplo de hidrgeno) un reactor en nuclea Existen numerosasnuevas ideas para r. generar partculasde alta velocidad,tales comoel cohete de luz quantum diseado para generar luz por medio dela 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 un cohete que depende de un lser basado en tierra para es excitar su masa de combustiblesubcrtica. Otro ejemplo es la vela solar, una enorme membranaque se despliegaen el espacioy recoge la energasolar para moverel cohete, de manera muy parecida forma a la en que una vela mueve un yate. a Dos tipos de cohetes no qumicos han llegado actualmentea la etapa de aplicacin prctica: el motor de iones utilizado a bordo dela sonda de asteroidesHAYABUSA,que aterriz recientemente el en asteroide Itokawa; el motor de plasma que se est utilizando en un satlite en rbita geoestacionaria. y Estos dos moto- resse llamanmotoresde propulsin de empujelento debidoa su bajo nivel de empuje.Los motores pueden acelerarse eficientementeutilizandouna cantidad limitada de combustibley, por lo tanto, son apropiados para controlarsatlites artificiales as como para misiones interplanetariasque suponen vuelos a travs de distancias significativas. Los otros tipos de cohetes no qumicos estnetapa dedesarrollo. la en

Y con respecto a los cohetes de agua?Los cohetes de agua no utilizan ninguna reaccin qumicaadquieren empuje usando aire ro pe presurizado para lanzar agua hacia afuera. Como tales, se ra decir que caen dentro de categorade el pod la 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 relativamen en un perodo corto de tiempo. te fuerte En otras palabras, los cohetes de agua sufren un proceso de conversin de energa: energa por compresin del aire, energa cintica del aire (expansin), energ a cintica del agua (expulsin), en tanto que los cohetes qumicos pasan por un proceso de energaica energa trmica energa qum cintica.

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Para asegurar la estabilidad del vueloP

Cualquiera sea la potencia del empuje, los cohetes no pueden alcanzar velocidades suficientemente altas menos que la posicin de vuelo y direccin de la aceleracinsean controladas a apropiadamente. el cohete gira como un petardo rotativo, la aceleracinhacia adelante ser imposible. Si Los cohetes reales dirigidos hacia espacio exigen una precisinsumamentealta en trminos de posicin el de vuelo y rbita. La duracin delvuelo de un cohete a travs de la atmsferaterrestre es muy breve. La mayor parte del tiempo transcurrir en espacio exterio donde el impacto de la fuerza aerodinmicaes el r, insignificante.Por lo tanto, el control de la posicin de vuelo (estabilidad de la posicin de vuelo) es extremadamente importante.En esta seccin nos referiremosa los cohetes de agua y explicaremosla manerade asegurarla estabilidadde la posicinde vuelo bajo el impacto dela fuerza aerodinmica.

Centro de gravedad y centro de fuerza aerodinmicaLa gravedadde la Tierra afecta a todo lo que tiene masa. El centro de gravedades el punto desde el cual el peso de un cuerpo o sistema podra ser consideradoactuante.Cuando un cohete es sometidoa una fuerzaexterna,tal como viento lateral, gira en torno centro de gravedad. Por tanto, se puede decir a su lo que el centro de gravedaddel cohete duranteel vuelo coincidecon el centro de la rotacinde la posicinde vuelo. Durante vuelo, un cohete est sometido al impacto del aire que fluye a su alrededo Cuando se el r. trata de aviones y planeadores,la fuerza aerodinmicapuede dividirse en resistenciadel aire, elevacin, fuerza rotacio- nal de la posicin de vuelo,y as sucesivamente. Nos referimosal centro de accin de la fuerza aerodinmica como centro aerodinmico.Sin embargo, estrictamentehablando, la definicin de el centro aerodinmicoes distinta a la de centro de accin de la fuerza aerodinmica, lo llamamoscentro y aerodinmicopara simplifica En el caso de cohetes con aletas, el cono de la nariz, el cuerpo del cohete r. (estructura)y las aletas son some- tidos a una fuerza aerodinmicaen ese orden. Dado que el centro aerodinmicoes el centro de accin de la fuerza aerodinmica,mientras ms grandes son las aletas del cohete, mayor es la fuerza aerodinmicaque lasafecta,con lo cual el centro aerodinmico trasladahacia se la parte traseradel cohete(el lado donde estn las aletas).

Estabilidad de veleta (estabilidad aerodinmica)El sistema estabilizadorde la posicin de vuelo en base a fuerza aerodinmicase conoce como esta- bilidad aerodinmica. Tambin se conoce como estabilidadde veleta debido a su semejanzacon una veleta, quesiempre est de cara al viento. Que el cohete pueda mantenersu 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 diferenciaen el rea significa una diferenciaen la canti- dad(presin)de viento en cada seccin,y esto genera un movimientode rotacin alrededordel eje. Cuando el viento golpea un lado de la veleta, ste empuja y rota la veleta a sotavento porque la mitad posteriorest sometida mayor presin que la mitad del frente. Este desequilibriopermite a

P Para asegurar la estabilidad del vuelo

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.

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Para asegurar la estabilidad del vuelocentro aerodinmico

centro aerodinmico eje de rotacin Estabilidad de veleta centro de gravedad (centro de rotacin) Estabilidad aerodinmica del cohete

La posicin de vuelo del cohete rota alrededor del centro de gravedad. En otras palabras, el centro de gr edad del cohetees su eje de rotacin. on cohetes aletas,ocu rreusualm ente el centrode accinde la fuerza C sin que fuerzaaerod inm ica, cohetegiraralrededor su centroaerodinm ico. estascondiciones, narizdel cohete el de En la m irara sotavento, deci, haciaatrs.Las aletas es r trasladan centroaerodinm ico iaatrsdel centro graveel hac de dad . C uandoel cohetees som etido una fuerzaaerodinm ica, aletasgirarna sotavento el extrem ofrontal a las y del cohete haciadelante. gira Esto explicapor qu un cohetede fuegosartificiales puedevolardirectohaciaarriba. Estos cohetes estnadheridos la puntade una varillalarga.Si la varillaes dem asiado a corta,el cohetede fuego artificial no puede lograr un vuelo estable. C uandoest en vuelo,el coheterecibevientode la direccinhacia dondese dirige.En todo m om ento, las aletas orientanla nariz del cohete hacia la direccindel m ovim iento. lo tanto, m ientrasm s grandessean Por las aletas,m ayor ser la estabilidad la posicinde vuelo. Sin em bargo,las aletas deberanser de tam ao en m oderado, ya que si son m uy grandes aadirn dem asiadcohete. al o peso Agrandar el tam ao de las aletas no es la nica m anera de lograr la estabilidad de veleta. El lastre (el de plastilinao arcilla de m old earpara cohetesde agua) pegadaen la punta del cohetepu edetam bincam biar el centrode gravedad hacia adelante. efecto,esto trasladael centroaerodinm ico En hacia atrs desdeel centro de gravedad, contribu yendo a la estabilidad as aerodinm ica. aspectose tom a tam binen consideracin Este en los cohetesreales;las cargastiles pesadas,tal com o el equipode observacin, colocansiem pretan hacia se adelante com o sea posible. Analicem os papel el vital que desem pean rielesde gua del lanzado. U n cohete,estabilizado ovelos r com leta, vuela hacia el viento. Si se lo acelera lo suficiente, recibe viento desde el lado expuesto perm ite al viento que le volar recto a lo largo del ngulofijado en el lanzado. Si el cohetees som etidoa un s bitovientolateralantesde r lograr suficiente velocidad, posicinde vuelocam biar giraren direccin vientolateral.Aqu se apreciala su y al im po tanciade los rielesde gua.C om ostosperm itenal cohetem antener posicinde vu elohastaque logre rsu suficiente velocid ad, el cohete no girar hacia un lado au nqueado por fuertes vientos sea golpe laterales. S abaque m uchoscohetesgrandesno tienenaletas? Aunque aletaspu edenestabilizar posicinde las la vuelo de un cohete,tam binpodrancausarun cam biode la direccindel vuelo en direccindel viento lateral. En otraspalabras, aletasson vulnerables viento.Lo que es m s,la estabilid ad las al aerodinm ica brindanlas que aletas no funcionaen el espacioexterio dondeel aire escaseay dondela fuerzaaerod inm ica cum pleninguna r, no funcin. Para cohetescuya m isinprincipal desplegar satliteartificial es un dentrode su rbitapredeterm inada con la m ayor precisin posible,las desventajas las aletas podransignificarel fracasode una m isin.Se pu eden de lanzarcohetes grandes dotad osde equipode controlde alta precisin pesarde su inestabilid ad a aerodinm ica. En lugar de aletas, el sistem a de bordo de control de la posicin de vuelo asegura la estabilidad de la posicin de

aerodinm ica (centro aerodinm ico) se m ueve hacia delante del centro de gravedad del cohete. la no se corr Si

vuelo.

Para asegurar la estabilidad del vuelo

Para asegurar la estabilidad del vuelo

Estabilizacin de la rotacinLa estabilizacin de la rotacin, basada en la fuerza de rotacin, es un mtodo para estabilizar 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.

Y con respecto a los cohetes de agua?Los principios expuestos tambin se aplican a los cohetes de agua. La estabilidad aerodinmica (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. Adems, 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?

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R e s is t e ndceil a sb o t e l la sp o lie t il e n o t e r P fEt a l)o de (e T

Pruebas de resistencia de cohetes realesHasta 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.

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ReferenciasSitios web de cohetes de agua 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. Algunos 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: Wikipedia Buen sitio para empezar: explica el funcionamiento de los cohetes de agua, cuestiones de seguridad y de competiciones, y proporciona enlaces externos. http://en.wikipedia.org/wiki/Water_rocket Gua para construir cohetes de agua y comprender sus principios fsicos por Dr. Michaer de Podesta y NPL www.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 competicin 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.

Dnde encontrar partes y piezas para cohetes de aguaRecomendamos el uso de boquillas del comercio a fin de garantizar la seguridad del lanzamiento. 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/

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Cohetes de AguaManual del EducadorNobuaki Ishii Profesor

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

Edicin y Redaccin (de la versin ingls)(Equipo del Programa Educativo) Consultor Sumio Endo Ichiro Momose Masayuki Ishii Yasuhiro Endo Centro de Educacin Espacial JAXA, Consultor Musashino, 4ta Escuela Secundaria Jr., Maestro Escuela Primaria Kudan, Maestro 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 Traduccin Koji Kanba Winds, Ltd.

Cooperacin Escuelade CienciasFsicas,La Universidad Graduados de para EstudiosAvanzados, Proyectode Cohetesde la Universidad GraduadosTokai, EscuelaPrimariaKyowa. de

Publicado por: Organismo de Exploracin Aeroespacial del Japn, Centro de Educacin Espacial, 3-1-1 Yoshinodai, Sagamihara-city, Kanagawa 229-8510, Japn Tel: 042-759-8609 Fax: 042-759-8612 http://www.jaxa.jp/

Primera edicin en espaol:

marzo 2008