Download - Construcción de cohetes de agua

7/22/2019 Construccin de cohetes de agua

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I.E.S. Doa Nieves Lpez Pastor

Villanueva del Arzobispo (Jan)23700499

Jess Rescalvo FernndezAlberto Usero LaraPedro Berbel TausteImad??

Prof. Antonio Jimnez Ruiz

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INDICE:

1. JUSTIFICACIN2. ANTECEDENTES HISTRICOS3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO4. ELABORACIN DEL COHETE5. NORMAS DE SEGURIDAD6. RECOGIDA DE DATOS

7.GALERA DE FOTOS

8. VIDEO DEL LANZAMIENTO

9. BIBLIOGRAFA


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1. JUSTIFICACINTodo empez el curso pasado cuando estbamos en 3 de ESO y en clase

de tecnologa al finalizar el tema de mquinas trmicas el profesor nos mandconstruir un cohete de agua. Un cohete de agua en el tema de mquinastrmicas?, esta pregunta vol por nuestras mentes sin llegar a comprendercomo bamos a construirlo, con qu combustible?, cmo conseguiramos elempuje del cohete?,

Ya ha pasado un ao y todas esas preguntas que nos hicimos obtuvieron surespuesta, adems fue una experiencia muy enriquecedora. Por eso cuando elprofesor de tecnologa nos propuso el concurso Navegacin por Satlite y

lemos las bases, automticamente se nos vino a la mente nuestra experienciavivida el curso anterior y decidimos compartirla.

Nuestro objetivo es realizar un trabajo experimental donde podamosdemostrar el principio de accin y reaccin en el vuelo de un cohete.

2. ANTECEDENTES HISTRICOS Desde la antigedad la humanidad ha sentido el deseo de volar. Recordando

la leyenda de caro y Ddalo que en su afn de huir del minotauro seconstruyeron unas alas de pluma que pegaron a su

cuerpo con cera. Ddalo prob las alas y comprob quefuncionaban bien y su hijo caro comenz a volar y cadavez lo hizo ms alto olvidando que el sol podra derretir lacera

Leonardo da Vinci, unos de los grandes inventores yhombre del renacimiento, dej constancia en sus bocetosde unos mecanismos voladores que nunca lleg aconstruir.

El 4 de junio de 1783, los hermanos Montgolfier,hicieron su primera demostracin pblica: hicieron subiruna bolsa esfrica de lino forrada de papel de 11metros de dimetro, 800 m y un peso de unos 226kilogramos llena de aire caliente. Su vuelo recorri 2km, dur 10 minutos y alcanz una altitud estimadaentre 1600 y 2000 metros.
http://es.wikipedia.org/wiki/4_de_juniohttp://es.wikipedia.org/wiki/1783http://es.wikipedia.org/wiki/1783http://es.wikipedia.org/wiki/4_de_junio


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Pero nuestra historia, los cohetes, comienza con la invencin de la plvorapor los alquimistas chinos. Algunos de estos cohetes chinos estaban situadosen la Gran Muralla China y se empleaban con fines militares. La tecnologa delos cohetes se empez a conocer en Europa, cuando las tropas de GenghisKhan la invadieron.

Los primeros cohetes eran muy poco precisos, tenan una gran tendencia adesviarse bruscamente fuera de su trayectoria. Los primeros cohetes delbritnico William Congreve redujeron esta tendencia aadiendo un largobastn en la cola del cohete (similar a los cohetes de feria actuales) para hacerms difcil que el cohete modificara su trayectoria. El cohete ms grande deCongreve pesaba 14,5 kg en vaco y tena un bastn de cola de 4,6 m delongitud.

En 1903, el profesor Konstantn Tsiolkovskypublic "La exploracin del espacio csmico pormtodos de reaccin", donde se desarrollaba elprincipio que gobierna la propulsin de cohetes.Entre otras ideas, Tsiolkovsky propusoacertadamente el uso de oxgeno e hidrgenolquidos como un excelente par propulsor, determinla estructura que se deba construir y dise la

forma en que deban estar los cohetes paraaumentar la eficiencia de masa y aumentar as radio

de alcance.

Los cohetes modernos nacieron de la mano de RobertGoddard que uni una tobera supersnica (Tobera de Laval) ala cmara de combustin del motor del cohete. sa boquillatransformaba el gas caliente de la cmara de combustin enun propulsor de gas hipersnico (jet), aumentando ms del

doble el empuje y aumentando enormemente la eficiencia.

El 4 de octubre de 1957 la Unin Sovitica consigue poneren rbita el primer satlite artificial alrededor de la Tierra.

Por fin!, el 20 de julio de 1969 se concreta un hito en lahistoria de la humanidad, la misin espacial de EE.UU. Apolo11 coloca exitosamente al hombre en la Luna. Neil Armstrongsu comandante y Edwin F.Aldrin, desembarcan en el sitioprevisto del llamado Mar de la Tranquilidad, y pronuncian la

clebre frase: "Un pequeo paso para el hombre, ungran salto para la humanidad".
http://es.wikipedia.org/wiki/Genghis_Khanhttp://es.wikipedia.org/wiki/Genghis_Khanhttp://es.wikipedia.org/wiki/1903http://es.wikipedia.org/wiki/Konstant%C3%ADn_Tsiolkovskyhttp://es.wikipedia.org/wiki/Robert_Hutchings_Goddardhttp://es.wikipedia.org/wiki/Robert_Hutchings_Goddardhttp://es.wikipedia.org/wiki/Tobera_de_Lavalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad_hipers%C3%B3nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad_hipers%C3%B3nicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Tobera_de_Lavalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Robert_Hutchings_Goddardhttp://es.wikipedia.org/wiki/Robert_Hutchings_Goddardhttp://es.wikipedia.org/wiki/Robert_Hutchings_Goddardhttp://es.wikipedia.org/wiki/Konstant%C3%ADn_Tsiolkovskyhttp://es.wikipedia.org/wiki/1903http://es.wikipedia.org/wiki/Genghis_Khanhttp://es.wikipedia.org/wiki/Genghis_Khanhttp://es.wikipedia.org/wiki/Genghis_Khan


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3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO La propulsin del cohete de agua se basa en el principio de conservacin de

la cantidad de movimiento. Si en un cohete sale un chorro de fluido con unacierta velocidad, el cohete adquiere la misma cantidad de movimiento pero ensentido contrario.ete

Un ejemplo de la Segunda Ley de Newton(principio de accin y reaccin)la tenemos al inflar un globo, las paredes elsticas del globo ejercen unapresin sobre el aire que contiene, al liberar la boquilla el aire saldr con unacierta velocidad y el globo saldr impulsado en sentido opuesto a granvelocidad.

En el vuelo de un cohete interviene un factor llamado arrastreaerodinmico,

donde,

es la densidad del aire y

es un

coeficiente de arrastre que depender de la forma delcohete y tambin del nmero Reynolds1. Para lasbotellas utilizadas para la construccin de cohetes puedeoscilar entre 0,1 y 0,3.

En el vuelo de un cohete tambin intervienenotros factores como son:

1. Fuerza de gravedad, que empujar al cohetehacia abajo. F = m g (g=9,81 m/s2)

2. Rozamiento del aire, depender de diversosfactores como: velocidad del cohete, forma delcohete, densidad del aire,

3. Tambin es importante a tener en cuenta que lamasa del cohete cambia a medida que sale elagua. Esto hace que los clculos se compliquen endemasa para el nivel de los alumnos que estnelaborando este trabajo.

1 Nmero Reynolds, es un nmero adimensional utilizado en mecnica de fluidos. Este nmero relaciona la

conveccin y la viscosidad

=

FD =

Vcohete

S


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Cuando el cohete est a punto de despegar tiene como energa almacenadaen su interior aire a presin. En nuestro caso la presin de trabajo ser de 4kg/cm2.

Cuando la tobera se abre, la presin interior del cohete hace que el aguasalga con una fuerza que es igual a la presin por la superficie. El aire empujaal agua hacia fuera, y como la superficie del agua es mucho mayor en la partesuperior que en la inferior, la velocidad que adquiere el agua al salir es muygrande. Esto se conoce como principio de Bernouilli.

Proceso Energtico.

El aire contiene energa (presin) que se traslada al agua y seconvierte energa cintica. La forma de la tobera2 (Tobera deLabal) permite que la conversin de energa sea muy eficiente.

Por el principio de accin y reaccin (3 Ley de Newton)cuanto mayor sea la velocidad de salida mayor ser la velocidad de salida delcohete.

El cohete desde que es lanzado hasta que vuelve a la tierra, pasa por tresfases:

1. La de propulsin por agua.En esta fase el cohete tiene agua, y la vadesprendiendo por la tobera a gran velocidad. Aunque la duracin deesta fase es muy corta. En esta fase el cohete alcanza su velocidadmxima, que puede alcanzar los 100 Km/h!

2. Propulsin por aire. Cuando toda el agua ha salido el aire que quedaen el cohete todava est a una presin mayor que la normal. Este aireacta igual que el agua en la fase anterior, con la diferencia de que sumasa es mucho menor que la del agua, por lo que esta fase es muybreve y el impulso adicional que recibe el cohete es muy pequeo.

3. Movimiento inercial. En esta ltima fase ya no hay nada en el coheteque siga empujando, y lo nico que hace que siga subiendo es su propiainercia (Primera Ley de Newton). El cohete va perdiendo velocidaddebido al rozamiento con el aire y al efecto de la gravedad, hasta quealcanza su mxima altura (este punto se denomina apogeo). Despus, elcohete empieza a caer.

2 Una tobera es un dispositivo que convierte la energa potencial de un fluido, en forma de presin, en energa

cintica. El aumento de la velocidad que sufre el fluido en su recorrido a lo largo de la tobera es origina una

disminucin de su presin y temperatura, al conservarse la energa.

Tobera de Labal


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4. ELABORACIN DEL COHETE La elaboracin de cohetes de agua es un proceso sencillo pero en el que se

deben tener en cuenta una serie de consideraciones. El tipo de cohete ms

sencillo que se puede construir es el que utiliza una sola botella de plsticopara el cuerpo del cohete.

MATERIALES

Los materiales empleados en la elaboracin del cohete son:

- 2 botellas PET de 2- 1 lmina de plstico rgido A4- Cinta adhesiva- 1 bolsa de basura de plstico- Hilo de algodn

Para la ejecucin del proyecto hemos seguido los siguientes procesos:

Cada uno de esto procesos se han dividido en fases. A continuacin sedetallan cada una de ella, (para ayudar al seguimiento de cada proceso se hanmantenido los colores atribuidos a cada proceso).

Empezando por el primer proceso, las fases seguidas son:

PROCESO 1

Construccin de la

lanzadera

PROCESO 2

Construccin del

cohete

PROCESO 3

Preparacin vlvula

de salida

FASE 1: Diseo y construccin de la plataforma

FASE 2: Diseo y construccin de las patas

FASE 4: Preparacin de las guas de lanzamiento


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Respecto al proceso 2 se han desarrollado las siguientes fases:

Y por ltimo, en el tercer procedimiento, se han desarrollado las siguientesfases:

A continuacin vamos a ir desarrollando cada una de las fases:

Esta fase es importante ya que nos va a asegurar un correcto despegue delcohete, adems nos permitir evitar accidentes indeseables.

Los materiales empleados en su construccin son:

1 listn de madera de pino de 6x1,5 cm 8 cncamos de 2 cm Pintura azul

8 tornillos para madera de 2 cm Cola de carpintero

FASE 1 Diseo y construccin de las aletas

FASE 2 Construccin del faldn

FASE 3 Montaje del faldn a la botella principal

FASE 0 Prueba de presin de la botella principal

FASE 4 Elaboracin del compartimento del lastre

FASE 5 Diseo y construccin del paracadas

FASE 6 Diseo y construccin de la nariz del cohete

FASE 7 Lanzamiento del cohete!

FASE 1 Seleccin del tapn adecuado

FASE 2 Ajuste de la vlvula de entrada de aire

FASE 3 Acople manguito de seguridad

FASE 1: Diseo y construccin de la plataforma


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Primero trazaremos y cortaremos los listones de madera con las siguientesmedidas:

Una vez cortados los lijaremos para mejorar su acabado superficial, y losuniremos de la siguiente forma:

Para la construccin de las patas utilizaremos los siguientes materiales:

4 listones, como los anteriores, de 12 cm de largo cada uno. 4 bisagras de 3,5 cm 8 tornillos para madera de 1 cm.A continuacin se muestra la ubicacin de las patas y un detalle de las

bisagras:

La colocacin de las bisagras permitir doblar las patas y facilitar eltransporte de la lanzadera.

25 cm

6 cm (2 piezas iguales) 6 cm (2 piezas iguales)

16 cm

FASE 2: Diseo y construccin de las patas

Tornillos


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Para esta fase necesitaremos los siguientes materiales:

8 cncamos de 5 mm de dimetro interno 4 varillas roscadas de 3 x 250 mm 8 roscas de 3 mm 8 arandelas de 15 mm de dimetro exterior

En la galera de fotos puede verse la lanzadera una vez terminada.

En la construccin del cohete vamos a utilizar como cuerpo principal delcohete una botella de plstico PET de 2 L. Estas botellas estn preparadas parasoportar presiones internas elevadas. Muy importante, las botellas de aguamineral no se pueden utilizar.

FASE 0 Prueba de presin de la botella principal

FASE 4: Preparacin de las guas de lanzamiento

Las arandelas van a permitir mejorar lasujecin de las varillas roscadas a lasuperficie de la lanzadera.

Cuando no se utilice la lanzadera las

varillas se introducirn en los cncamosquedando sujetas por las tuercas.

El cohete se introducir entre las varillasroscadas, quedando sujeto e impidiendocualquier tipo de movimiento lateral. Deesta forma aumentaremos la seguridad dellanzamiento.

Botellas de plstico PETSI se puede usar

Botellas de plsticonormales, NO usar


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A la hora de elegir la botella nos fijaremos que tenga una forma lo msrecta posible, desechando aquellas que posean curvas en el cuerpo de labotella.

Una vez elegida la botella correcta deberemos someterla a una prueba depresin, esta prueba se realizar sin agua y a una presin de 2 Kg/cm 2. Deesta forma eliminaremos posibles defectos de la botella y nos aseguramos deque es apta para nuestros fines.

En la construccin de las aletas utilizaremos los siguientes materiales:

1 lmina de plstico rgido A4 1 lmina de papel milimetrado A4 1 rotulador permanente punta fina 1 rollo de cinta adhesivaSobre el papel milimetrado realizaremos el diseo de nuestras aletas, en

concreto se construirn 4, que debern ser completamente iguales. El diseopuede variar, de forma que un mayor tamao incidir en una mayorestabilidad del vuelo del cohete pero tambin aumentar tanto el peso delmismo como el rozamiento, por lo que reducir la altura de vuelo.

El diseo de las aletas puede apreciarse en la siguiente figura.

Las aletas se cortarn por las lneas continuas y se doblarn por lasdiscontinuas.

Para asegurarnos que la aleta quede perpendicular al faldn se doblarn las

pestaas como se indica en la siguiente figura:

FASE 1 Diseo y construccin de las aletas

8 cm

8 cm

Se realizarn 4 aletasexactamente iguales

12 cm

1 cm

7 cm


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12 12

El faldn nos va a permitir fijar las aletas al l de forman que quedenequidistantes. Nosotros hemos utilizado para la construccin del faldn el

cuerpo de otra botella PET igual a la utilizadaanteriormente.

De esa botella cortamos un cilindro como el de lafigura y colocamos las aletas. Para colocarlas a lamisma distancia deberemos calcular el permetro dela botella y dividir dicha distancia en cuatro partes,para ello nos podemos servir de una hoja de papel.

Una vez realizado el faldn y colocadas la aletas,ya podemos colocar el faldn a la botella principal del cohete, para elloutilizaremos cinta adhesiva. Es importante colocar el faldn totalmente recto.

En esta fase hay que poner especial cuidado, ya que el faldn debe quedarperfectamente alineado con la botella principal

La unin se realizar con cinta aislante teniendo cuidado que noqueden arrugas en la unin. Adems, se debe evitar que quedecomo muestra la figura de la derecha.

Se dice que un cohete es estable cuando asciende en lnea recta,sin desviaciones. Cuando esto sucede, el vuelo del cohete es mseficaz, es decir, el rozamiento debido al aire es el mnimo, y por elloadquiere mayor velocidad y altura. Para que un cohete sea establedebe cumplirse una regla muy sencilla: el centro de masas, o degravedad, del cohete debe estar por encima de su centro de

presin. Cuanta mayor sea la distancia entre ambos, ms estableser el cohete.

FASE 2 Construccin del faldn

FASE 3 Montaje del faldn a la botella principal

Botella principal Faldn

FASE 4 Elaboracin del compartimento del lastre


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Para modificar el centro de gravedad hemos aadido un lastre en la partealta del cohete. Concretamente plastilina, que se ajusta perfectamente a lasuperficie del cohete

Para cerrar el compartimento del lastre, que tambinrellenaremos con una bolsa de plstico para asegurarnosque el lastre no se desplace durante el vuelo, utilizaremosel cono de la segundo botella de plstico. Como se puedeapreciar en la figura de la izquierda. En la imagen inferiorse muestra el proceso de montaje.

Una vez montado se proceder a comprobar elcentro de gravedad del cohete, al utilizar plastilinacomo lastre podremos aadir o quitar hasta conseguirque el centro de gravedad sea el adecuado, para ellopodemos realizar comprobaciones como se indica en lafigura.

El cohete ir dotado de un sistema de recuperacin consistente en unparacadas cuya misin ser reducir la velocidad de descenso.

Para el clculo del paracadas hemos tenido en cuenta, principalmente, elpeso del cohete y la velocidad con la que deseamos que descienda.

Los materiales empleados son:

Bolsa de plstico polietileno (bolsas de basura). Hilo resistente Cinta de carrocero

Si el peso del cohete en vacio fuese superior a 500 gr, en lugar de utilizarplstico para el paracadas utilizaramos una tela fina y resistente. En nuestrocaso la bolsa de plstico es suficiente.

La figura utilizada para el paracadas es el hexgono, que dibujaremossobre una plantilla de cartn.

Lo primero que debemos hacer es calcular la superficie til del paracadas,para ellos utilizaremos la siguiente frmula:

Lastre

Botella rinci a Faldn

FASE 5 Diseo y construccin de paracadas


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L

= 2 2

Nosotros hemos determinado una superficie til para el paracadas de 0,1m2. A partir de este dato podremos calcular el lado del hexgono.

= 3 32

2, = 0,1 23 3 = 0,196 20

Una vez conocido el valor del lado ya podemosdibujarnos, en cartn, un patrn del paracadas,como podemos ver en la siguiente figura:

Una vez construido el patrn dibujamos elcontorno sobre una bolsa de basura

Una vez dibujado ya podemosrecortar nuestro paracadas.

Ahora procedemos a pegar los hilos en cadauno de los vrtices. Para ello hemos empleadocinta de carrocero que nos ha dado un buenresultado ya que permite una gran unin yadems es flexible.

Por ltimo sealar que el doblado delparacadas hay que hacerlo de una formadeterminadas que permita el despliegue del mismo.

Donde:g: constante de gravedad (9,81 m/s)m: masa del cohete expresada en gramos: densidad del aire (1,25 Kg/m3)Cd: coeficiente de rozamiento del paracadas (0,65)

V: velocidad de descenso, 4 m/s


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La nariz del cohete desempea dos funciones importantes, nos va a permitirguardar el paracadas y reducir la fuerza de rozamiento. Vamos a utilizar

cartulina o un plstico flexible para tal fin.

Vamos a disear el desarrollo de un cono, para ello debemos conocer elpermetro donde va a encajar y la altura que deseamos que tenga.

Conociendo el dimetro de la botella podemos aplicar la frmula: = ,en nuestro caso el permetro es de 31,5 cm.

Si queremos que la altura del cono sea de 15 cm.

Calculamos g, =152

+ 52

= 15,81 Para poder dibujar el desarrollo del cono, que aparece enla figura inferior, debemos obtener el valor de , para ellosaplicaremos la siguiente expresin:

= 360 31,52 = 114,2

En la parte superior interna del cono introduciremos un poco de plastilina amodo de contrapeso, ya que la idea es que cuando el cohete llegue al apogeo,y empiece a caer, el cono se desprenda y libere al paracadas que est en suinterior.

FASE 6 Diseo y construccin de la nariz del cohete

g

31,5 cm

h=15c

5c

g


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En la siguiente imagen se detalla el despiece completo del cohete:

A la hora de doblar el paracadas hay que poner especial atencin, se irnhaciendo tringulos ms pequeos y para terminar se enrollarn los hilos sobreel cuerpo del paracadas doblado. Lo importante es que se despliegue con

facilidad.

Otro aspecto vital es la unin del cono al cuerpo del cohete,ya que debe estar lo suficientemente fijado para que no sedesplace en el momento del despegue y, por otro lado, que seabra durante la cada del cohete.

En la figura de la derecha se muestra el detalle de la uninentre el cono y el resto del cohete

Una vez terminado el cohete, ha llegado el momento de su lanzamiento,pero antes hay que realizar las siguientes operaciones:

Realizar un control de calidad. Para ello comprobaremos que el coheterene los requisitos mnimos de calidad que nos garantice un vuelocorrecto libre de peligros. Mediante una inspeccin visualcomprobaremos:

La correcta verticalidad del cohete. Su centro de gravedad. La correcta posicin de las aletas. El ajuste del cono. Que no exista ningn desperfecto sobre la superficie del

cohete.

Correcto ajuste del cohete en la lanzadera.

Lastre

Botella rinci a FaldnContrapeso

Detalle de

unin

FASE 7 Lanzamiento del cohete!


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Si se cumplen todos estos requisitos el cohete estar preparado para sulanzamiento!

Este elemento ser el encargado de soportar la presin del interior de labotella hasta el momento de su lanzamiento. Si salta antes de tiempo elcohete no tendr el empuje necesario para alcanzar la altura adecuada. Si porel contraro no llegase a salir an con la presin seleccionada el cohete podraalcanzar presiones peligrosas. Todo lo expuesto anteriormente hace de laeleccin del tapn un aspecto fundamental.

Nosotros hemos elegido el sealado con el crculo rojo. Este modelo ofreceuna mayor resistencia llegando hasta los 4 Kg/cm2, que ser nuestra presinmxima de trabajo.

Para la introduccin del aire utilizaremos una vlvulacomo la mostrada en la figura.

La vlvula se introducir en el tapn y quedar como semuestra a continuacin:

Para ayudar al inflado del cohete vamos aaadir a la vlvula de entrada de aire unmanguito de seguridad.

FASE 1 Seleccin del tapn adecuado

FASE 2 Ajuste de la vlvula de entrada de aire

FASE 3 Acople manguito de seguridad


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5. NORMAS DE SEGURIDADEl lanzamiento de cohetes de agua entraa ciertos peligros, no podemos

olvidar que se utilizan presiones elevadas (en nuestro caso 4 kg/cm2). Por lotanto se deben tener en cuenta las siguientes normas de seguridad:

El punto de presin debe estar no ms cerca de un metro del cohete. La salida del agua del cohete en el momento del despegue podra

ocasionarnos un dao en la mano. Por lo tanto est prohibidomanipular el cohete en el momento del despegue.

En el momento del despegue el cohete puede alcanzar los 100 Km/h,por lo tanto no puede haber nadie cerca del cohete, salvo la personadel grupo de presin.

Bajo ningn concepto superaremos la presin de 5 Kg/cm2. Durante el vuelo del cohete la zona de cada debe dejarse libre, ya

que de no abrirse el paracadas la velocidad con la que llega al sueloes peligrosa.

6. RECOGIDA DE DATOSComo cualquier actividad cientfica es importante realizar una recogida de

datos que nos permita analizar los resultados, compararlos y realizar lasmodificaciones para conseguir mejorar el diseo de los siguientes cohetes.Nosotros hemos utilizado la siguiente ficha:


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7. GALERA DE FOTOS


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X. BIBLIOGRAFA Cohetes de agua. Manuel del educador

Organismo de Exploracin Aeroespacial del JapnMarzo. 2008

Enciclopedia Wikipedia

Cohetes de agua. Ciencia, tcnica y diversin

Antonio Bernal Gonzlez.

Antares