Escuela Colombiana de Carreras Industriales.

Katherine Suarez Hernandez1, José Alexander Parra1, Jenny Janeth Garzon1,

1Estudiantes Ingeniería Ambiental ECCI

Recibido: Javier Bobadilla; _______ 24/04/2014

1. OBJETIVOS

1.1. General:

Construir un cohete hidráulico a partir de materiales de bajo costo y con ayuda del agua bajo cierta presión realizar tres lanzamientos a cierta distancia para dar de manera certera en mismo punto. Aplicando de forma experimental los principios de fluidos y todos los conceptos de física involucrados en los lanzamientos.

1.2. Específicos

· Comprender el funcionamiento del principio de acción y reacción.

· Desarrollar capacidades de diseñar, Predecir y verificar resultados.

· Aplicar el conocimiento adquirido en la teoría demostrándolo en la práctica.

· Entender y aplicar el principio de pascal.

· Identificar a través del lanzamiento del cohete las ecuaciones del tiro parabólico para aprender a controlar variables y de esta forma lograr resultados óptimos en cuanto a desplazamientos de esta magnitud.

2. ANTECEDENTES

Teniendo en cuenta que la génesis de los cohetes es bastante extensa, nos limitaremos a mencionar que tanto en Japón, Alemania y en Estados Unidos se fabricaron e importaron. Durante la década de los 30 hubo clubs de cohetes como en Rusia y otros países. Se realizaron experimentos y en algunas ocasiones los hicieron volar, teniendo en cuenta las leyes de la física. En algunos prototipos se usaban combustible líquido y también se hicieron cohetes con combustible sólido.

3. MARCO TEÓRICO:

3.1. Leyes Y Principios:

A continuación explicaremos las clases de fuerzas que genera un cohete mientras se encuentra en vuelo, citaremos la ley de acción y reacción / tercera ley de newton (= el principio de propulsión a reacción), el movimiento parabólico y la ley de la conservación del Momentum.

3.1.1. Ley De Acción  Y Reacción /Tercera Ley De Newton (= Principio De Propulsión A Reacción)

Si suelta un globo inflado, zumbara por todos lados expulsando aire. Se generara una fuerza que lo mueve hacia a delante “en reacción “ al aire que está siendo expulsado hacia atrás “ acción” , causando de esta manera que el globo vuele. Esta fuerza reactiva es conocida como propulsión o  “empuje”.

Así mismo, un cohete es propulsado verticalmente ene reacción al gas que está siendo expulsado de su cuerpo. El cohete se carga con combustible sólido o líquido, al quemarse el combustible se genera un impacto del empuje debido al gas resultante que se expulsa hacia atrás. El gas fuertemente presurizado en la cámara de combustión, es expulsado hacia atrás de la boquilla (=acción). Proporcionando el empuje vertical 2 reacción “. Además del combustible se carga el cohete con oxígeno. El oxígeno permite al cohete quemar su carga de combustible y generar gas de alta velocidad aun en un ambiente sin aire. Los cohetes usan la potencia reactiva para lograr la aceleración en el agua, y en el aire y aun en el vacío del espacio.

Un cañón retrocede cuando dispara un proyectil. Disparar el proyectil es una acción mientras que la reacción es el retroceso absorbido por el cañón. Se puede imaginar que el cohete es el cilindro del cañón que está volando a través del espacio y no el proyectil. La expulsión constante de proyectiles (=combustible) hacia atrás permite que (0 cilindro de cañón) seguir moviéndose hacia adelante en virtud de una reacción sostenida. Este mecanismo de propulsión se denomina

“propulsión a reacción”.

Con respecto al cohete de agua que fabricaremos, este también vuela por medio de la propulsión a reacción. Vuela aprovechando una reacción resultante del agua, que está siendo expulsada por aire comprimido, que transporta. Es un ejemplo ampliado  de acción y reacción, explicando que “un cohete de agua es expulsado hacia adelante por una fuerza de acción generada por la liberación  de aire comprimido dentro del cuerpo del cohete, que provoca la expulsión de agua a través de la boquilla

 

3.1.2. Ley de la conservación del Momentum

Masa multiplicada por velocidad igual a “momentum” se expresa mediante la ecuación:

MOMENTUM MASA= masa * velocidad

Cada objeto tiene propensión a mantener un momentum constante antes y después de un movimiento. Esto se conoce como la Ley de conservación del momentum”. Aplicando esta ley para explicar la física de los cohetes: Presupondremos que un cohete en reposo tiene cierta masa

Masa =M +m donde M es igual a la masa del cohete y m es la masa del combustible. El cohete quema su combustible en un instante y expulsa gas hacia atrás con una masa m a una velocidad Ve. El valor Ve es la velocidad que ha adquirido el cohete mediante la expulsión del combustible (suponiendo que la resistencia del aire es =0)

3.1.3. Movimiento Parabólico:

Se define como movimiento parabólico al lanzamiento de un cuerpo con cierto Angulo con la horizontal, el cual describe una parábola.

Este movimiento está estudiado desde la antigüedad. Se recoge en los libros más antiguos de balística para aumentar la precisión en el tiro de un proyectil.

Denominamos proyectil a todo cuerpo que una vez lanzado se mueve solo bajo la aceleración de la gravedad.

3.1.4.    Teorema de Bernoulli.

Daniel Bernoulli comprobó experimentalmente que "la presión interna de un fluido (líquido o gas) decrece en la medida que la velocidad del fluido se incrementa", o dicho de otra forma "en un fluido en movimiento, la suma de la presión y la velocidad en un punto cualquiera permanece constante", es decir que  p + v = k.

Para que se mantenga esta constante k, si una partícula aumenta su velocidad v será a costa de disminuir su presión p, y a la inversa.

El teorema de Bernoulli se suele expresar en la forma p+1/2dv² = constante, denominándose al factor p presión estática y al factor 1/2dv² presión dinámica.

p + 1/2 dv² = k;       1/2 dv² = pd

p=presión en un punto dado.      d=densidad del fluido.      v=velocidad en dicho punto.      pd=presión dinámica.

 

Se puede considerar el teorema de Bernoulli como una derivación de la ley de conservación de la energía. El aire está dotado de presión p, y este aire con una densidad d fluyendo a una velocidad v contiene energía cinética lo mismo que cualquier otro objeto en movimiento (1/2 dv²=energía cinética). Según la ley de la conservación de la energía, la suma de ambas es una constante: p + (1/2dv²) = constante. A la vista de esta ecuación, para una misma densidad (asumimos que las partículas de aire alrededor del avión tienen igual densidad) si aumenta la velocidad v disminuirá la presión p y viceversa.

Enfocando este teorema desde otro punto de vista, se puede afirmar que en un fluido en movimiento la suma de la presión estática pe (la p del párrafo anterior) más la presión dinámica pd, denominada presión total pt es constante: pt=pe+pd=k; de donde se infiere que si la presión dinámica (velocidad del fluido) se incrementa, la presión estática disminuye.

En resumen, que si las partículas de aire aumentan su velocidad será a costa de disminuir su presión y a la inversa, o lo que es lo mismo: para cualquier parcela de aire, alta velocidad implica baja presión y baja velocidad supone alta presión.Esto ocurre a velocidades inferiores a la del sonido pues a partir de esta ocurren otros fenómenos que afectan de forma importante a esta relación.

4. CONSTRUCCIÓN DEL COHETE Y DEL LANZADOR

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4.1. Materiales que se necesitan para construir un cohete 

4.1.1. Herramientas y equipo

Mientras 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 diseñadas con puntas afiladas. Aconsejamos tomar toda clase de precauciones al manejar estas herramientas.

· Tijeras El tipo de tijeras como las que se muestran se utilizan para la mayoría de los cortes, tales como las aletas, el faldón y el cono de la nariz. También se encuentran tijeras especiales para botellas de PET.

· Cortador Se utiliza un cortador al hacer el cono de la nariz. Se debe tener en cuenta cómo manejar otras herramientas, y enseñarles otras precauciones para reducir al mínimo cualquier peligro de lesión.

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

· Marcador permanente Se utiliza un marcador permanente es para dibujar las líneas de guía para los cortes y los nombres en las botellas de PET.

4.2. Materiales necesarios para fabricar un lanzador

El lanzador que fabricamos se utilizó materiales y herramientas que se encuentran en la vida cotidiana. El lanzador está diseñado para ser ajustable, por lo que puede fijar el ángulo de lanzamiento según lo desee. 

 

4.3. Herramientas y equipo

· Martillo

· Sierra

· Pega o goma para madera

· Lápiz18

5. Diagrama De Construcción De Un Cohete

5.1 Proceso de fabricación del cohete de agua

1. Cómo hacer las aletas

1-1 Corte los patrones de las aletas

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

Con un marcador permanente dibuje el patrón de línea de guía en una lámina de plástico, como se muestra en la ilustración de la derecha.

Luego corte cuidadosamente los patrones por las líneas de guía.

1.2. Confección del faldón y fijado al cuerpo 

Envuelva la carpeta transparente alrededor del cuerpo del cohete y utilice un marcador permanente para marcar la posición donde se sobreponen los dos bordes. Ancho: Añada unos pocos centímetros 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 más largo que el pico de la botella. 

1.3 corte del rectángulo

· Corte un rectángulo en la carpeta plástica (transparente) a lo largo de la línea marcada Una vez cortado el rectángulo del faldón, envuélva- lo alrededor del cuerpo del cohete

· Divida el rectángulo del faldón en cuatro partes iguales y haga dobleces Estire nuevamente el rectángulo del faldón y divídalo en cuatro partes iguales, utilizando la línea previamente marcada como punto de referencia. Primero doble la lámina en mitades, luego doble cada mitad en cuartos. Marcar cada cuarto y hacer los dobleces. Carpeta plástica (transparente) Botella de PET Envuelva la lámina alrededor de la botella y márquela con un marcador permanente. Doble el rectángulo por la mitad y haga un doblez Doble de nuevo cada mitad y Corte a lo largo de los dobleces y haga un doblez líneas marcadas

· Corte a lo largo de los dobleces y de la línea marcada Corte a lo largo de los dobleces y de la línea marcada para dividir el rectángulo en cuatro partes iguales.

1.4. Pegue las aletas:  

Inserte las aletas una por una en el faldón, luego asegure las viñetas con cinta adhesiva por el revés del faldón. . Fije el faldón al cuerpo del cohete Envuelva el faldón alrededor del cuerpo del cohete y sujete el borde de inicio con la cinta adhesiva de vinilo, luego fije firmemente el faldón por el borde con más cinta adhesiva Verifique que el faldón está fijado en la posición correcta. Verifique la posición del faldón para asegurarse de que sobresale más allá del final del pico de la botella. 

1.5. Fabricación del cono de la nariz

· Marque la otra botella con líneas de guía para los cortes La segunda botella se utiliza para hacer el cono de la nariz. Use el marcador permanente para marcar las guías de corte en la sección que se convertirá en el cono de la nariz.

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

· Corte a lo largo de las líneas Utilice las tijeras para cortar el cono de la nariz. Hemos descubierto que es más fácil cortar primero la parte próxima al pico de la botella.

· Coloque el lastre Pese alrededor de 50 gramos de plastilina o arcilla de moldear y aplíquela en la nariz del cuerpo del cohete

·  Determine el centro de gravedad Coloque el cohete sobre su dedo para determinar el centro de gravedad. El centro de gravedad debería estar más cerca del cono de la nariz que del centro físico real de la botella de PET. Lastre Centro de gravedad Centro  Coloque el cono de la nariz Presione el cono de la nariz sobre el cuerpo del cohete y asegúrelo en su lugar con cinta adhesiva.

· Introduzca la bolsa de basura dentro del cono de la nariz La bolsa de plástico actúa como cojín dentro del cono de nariz. Desdóblela y rellene el cono de la nariz con ella.  Selle el cono de la nariz Prepare 10 a 15 tiras de cinta adhesiva de longitud uniforme y úselas para sellar la abertura del cono de la nariz.

· El paso final es examinar completamente el cohete para asegurarse de que no está torcido o dañado de alguna manera, y de que todas las partes están adheridas firmemente. Enrosque la boquilla y verifique la longitud del faldón y si la parte superior de la boquilla sobresale ligeramente del faldón.

 

2.  Fabricación del lanzador

Los cohetes logran un vuelo estable luego de llegar a su máxima aceleración, por lo que es preciso que el cohete mantenga su posición de vuelo hasta llegar a la velocidad necesaria. Equipar el lanzador con rieles de guía de una longitud apropiada permite estabilizar la posición de vuelo y asegurar que el cohete se dirige en la dirección escogida. El lanzador debe ser una estructura sólida con un bajo centro de gravedad para evitar que se mueva durante el lanzamiento. Recomendamos equipar el lanzador con rieles de guía (cada una de 60 – 80 cm de largo) y diseñarlo de modo que sea ajustable, para que el ángulo de lanzamiento se pueda modificar a voluntad.

·  

· 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 guía. Las dos varillas verticales de la base permiten ajustar el ángulo de elevación. Lanzador listo para usar

· Aquí se muestra un lanzador simple de plástico. Es práctico y portátil.

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

2.1. Proceso para construir el lanzador

 Recuerde aplicar cola en las uniones de la madera antes de pegar los clavos. Ensamblarlos en forma de caja, a continuación dibuje líneas diagonales en la placa de base y alinee las lo largo de las líneas cuatro esquinas con las líneas de guía. . Vuélvalo boca arriba y en la placa de la base con las fije la placa inferior a placas para fijarlos.Ponga los clavos, ahora  aplique barniz a la madera .

· Clave un clavo grande, como se indica en la figura, Aplique otra vez barniz en ambos lados de la placa Pegue la mitad de un graduador, usando cinta adhesiva de doble faz culeque la pesa y proceda a conectar los ganchos en los anillos de tornillo.

· Como último paso fije la cadena a los clavos. y ya tenemos listo el lanzador

 

6. PREPARACIÓN PARA EL LANZAMIENTO

3.1. Selección del sitio de lanzamiento

· El sitio de lanzamiento debe tener por lo menos 50 m de longitud.Debe tener fácil acceso a suministro de agua. No debe estar cerca de un aeropuerto o aeródromo. El sitio previsto es aún mejor si cumple los siguientes requisitos:

・Que sea posible un vuelo sin obstrucciones por una distancia de 100 m o más.

・ Que la superficie del suelo sea plana y libre de lodo.

・ Que el sitio se encuentre a una distancia segura del tráfico de peatones, tráfico de vehículos y zonas de estacionamiento, entre otros.

・ Que el sitio esté libre de árboles altos y de áreas con acceso restringido.

・ Que el sitio permita a los niños recuperar sus cohetes con seguridad.

3.2. Consejos para el lanzamiento 

Lanzadores： El estándar es un lanzador por cada diez participantes, pero esto puede variar de acuerdo al número de cohetes que se van a construir, el número de lanzamientos, el tamaño del sitio de lanzamiento, factores de tiempo, etc.

・ Bomba de aire： Desde el punto de vista de la seguridad, recomendamos el uso de una bomba de aire equipada con un medidor de presión. Existen bombas que tienen una manguera larga, específicamente diseñadas para cohetes de agua. Bombear se refiere al proceso de introducir aire dentro del cohete para presurizarlo.

・ Preparación del Cuando el cohete despega, despide una considerable cantidad de agua al rededor del área de lanzamiento. Sugerimos que coloque una lámina de plástico debajo del lanzador para evitar que el área de lanzamiento se vuelva lodosa.

・ Suministro de agua： El suministro de agua será más eficaz si prepara un balde de plástico grande o una piscina pequeña. Utilice tazas de medir de tamaño idéntico para suministrar la misma cantidad de agua a cada cohete.

BIBLIOGRAFIA:

GUÍA PARA CONSTRUIR COHETES DE AGUA Y COMPRENDER SUS PRINCIPIOS FÍSICOS www.npl.co.uk /waterrockets

COHETERIA DE AGUA POR LA NASA : http://exploration.grc.nasa.gov/education7rocket/rktbot.html

http//edu.jaxa.jp

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Water_rocket.gif

http://recursostic.educacion.es/descartes/web/materiales_didacticos/comp_movimientos/parabolico.htm