COHETE+PROPULSADO+POR+AGUA+Y+AIRE+ALVARO+ROJAS (1)
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Prof. lvaro Rojas
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COHETES PROPULSADOS POR AGUA Y AIRE
INTRODUCCIN
La construccin y lanzamiento de cohetes propulsados o impulsados por
agua constituye una experiencia pedaggica de gran utilidad para motivar e
introducir a los nios y jvenes en las leyes del movimiento de los cuerpos y los
principios de la astronutica. El anhelo del hombre por alcanzar las alturas se
remonta hasta la muy remota antigedad donde conseguimos los mitos griegos de
Dedalo e Icaro entre otros quienes intentaron conquistar los cielos.
Es el siglo XX con el desarrollo y aplicacin de la fsica newtoniana que
abre el camino a la conquista del espacio con los pioneros, el ruso Constantin
Tsiolkowsky , el alemn Hermann Oberth y el norteamericano Robert Goddart a
comienzos del siglo XX.
Con el advenimiento de la carrera espacial, despus de la segunda guerra
mundial Rusos y Norteamericanos se reparten a los cientficos e ingenieros
alemanes quienes haban alcanzado mayor avance en cohetera y desarrollan
sendos programas espaciales hasta nuestros das.
Los jvenes podrn disfrutar de la construccin y lanzamiento de cohetes
propulsados por agua cuyo funcionamiento es muy sencillo, se llena la botella con
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aproximadamente 1/3 de agua, tapa con un tapn de corcho o goma bien ajustado
y la situamos en posicin vertical parado sobre sus propias alerones, al corcho se
le introduce una aguja gruesa conectada a una manguera delgada a travs de la
cual introducimos aire a presin con una bomba de bicicleta, cuando la presin es
suficientemente grande el tapn se dispara saliendo hacia abajo el agua y el
cohete despega alcanzando alturas variables que pueden llegar a unos 80 m.
OBJETIVOS
Objetivo General
Disear un cohete casero para ensear cinemtica y dinmica.
Objetivos Especficos
Realizar un diagnostico de los conocimientos de los principios bsicos de
Dinmica y Esttica.
Establecer el cohete como recurso didctico para ensear cinemtica y
dinmica.
Verificar la aceptacin de cohete casero como recurso didctico para ensear
cinemtica y dinmica.
Ilustrar lanzamiento vertical ascendente, lanzamiento inclinado, ley de accin y
reaccin, ley de la fuerza, empuje del cohete, ley de conservacin del
momentum.
Comprender los principios del movimiento de los cuerpos, mediante la
construccin de cohetes propulsados por agua, en los cuales aplicamos los
siguientes conocimientos:
3 ley de Newton de accin y reaccin.
Lanzamiento parablico.
Ley de Pascal.
Cada libre con rozamiento.
Aerodinmica
Medicin de ngulos y trigonometra
Clculo de Alturas
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MATERIALES
Para el cohete bsico
2 Botellas de plstico PET (2 litros o 1,5 litros)
Tapn de corcho o de goma
Lamina de plstico de caja de archivador o cartn grueso
Cinta transparente
Tijeras
Bomba de bicicleta
Agua
Aguja gruesa de inflar balones o de recargar tinta de impresora
Manguera transparente de acuario
Vlvula de neumtico o caucho de carro
Cinta mtrica
Lamina de cartn negro
Opcional
Hilo y bolsas de plstico para (paracadas)
Pinturas de colores (espray)
Cuadrante
CONSTRUCCIN DEL COHETE
Necesitamos construir un cohete que ofrezca la menor resistencia posible al
ascenso a travs del aire, para lo cual se necesita darle forma aerodinmica, con
un cono o punta y paredes cilndricas lisas que ofrezcan la menor resistencia
posible al aire. Adems se deben colocar alerones para que el ascenso sea
derecho.
Usamos una botella PET (Polietileno Tereftalato) son hechas de un material fuerte
de peso ligero de polister claro. Se usa para hacer recipientes para bebidas
suaves como refrescos, jugos, agua, bebidas alcohlicas, aceites comestibles,
limpiadores caseros, y otros.
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Pasos
1. Se buscan las dos botellas de refresco para hacer el cuerpo del cohete.
2. Luego de haberlas limpiado, a una se le corta la parte superior, es decir el
pico o boquilla de la botella.
3. Luego la parte cortada se le pega con cinta plstica a la parte superior de la
otra botella.
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4. Ya habiendo pegado todo procedemos a pintarlo con el espray negro para
el cuerpo del cohete.
5. Teniendo el cuerpo hecho, vamos a hacer las aletas del cohete para que
tenga direccin, en este caso utilizamos un cartn duro o plstico.
6. Teniendo las aletas ya cortadas las pintamos con espray antes de pegarlas
al cohete.
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7. Ya con el cohete y las aletas pintadas podemos pegarlo al cohete con el
silicn caliente.
8. El cohete est totalmente armado y est listo para lanzarlo.
9. Para poder impulsar el cohete se necesito la presin de un compresor que
le inyecte aire a la botella llena de agua, colocando el corcho para hacer
presin.
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10. Para hacer una prueba para ver si sirve el cohete lo lanzamos en un lugar
abierto. (las fotos del lanzamiento son las del colegio)
FUNCIONAMIENTO
1 Fase: El llenado de "combustible"
El cohete va a funcionar utilizando como "combustible", un lquido que propulsar
el cohete, en nuestro caso, agua utilizando el principio de accin y reaccin.
En nuestras pruebas la cantidad ptima es alrededor de 1/3 de la capacidad de la
botella, para cantidades mucho mayores,(ms de la mitad) la botella despegar
con gran parte de agua en su interior lo que har que alcance una menor altura,
en caso contrario, si se ha llenado con poca agua, se realiza un menor impulso
inicial y tambin alcanzaremos menor altura, el llenado es pues, una fase
importante, debemos, realizar distintas pruebas hasta determinar la cantidad de
agua ms adecuada.
2 Fase: El taponado y puesta en marcha
Una vez cargada, tapamos nuestra botella con un tapn de corcho o de goma de
laboratorio, en el que previamente hemos introducido una aguja de inflador de
balones o un canutillo de bolgrafo.
Esta es la fase ms crtica, en la construccin de los cohetes de agua y de ella
depende gran parte del xito del vuelo, el tapn debe quedar lo ms hermtico
posible, para que en el momento del inflado no pierda agua, adems cuanto ms
apretado este ms presin de aire soportar por tanto el impulso inicial y la altura
alcanzada ser mayor.
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3 Fase: El inflado y despegue
Despus de taponar bien el cohete y conectar la goma del inflador colocamos, con
ayuda de una plataforma, el cohete en posicin vertical o inclinada en el caso de
que queramos un vuelo parablico y comenzamos a llenar la botella con ayuda del
compresor de bicicleta, debemos tener paciencia porque esta fase puede llevar
varios minutos.
Al llenar el cohete de aire y comprimirlo estamos aumentando la presin en su
interior, cuando la presin llega a un determinado valor el tapn salta y el liquido
es desplazado contra el suelo, de esta forma se realiza una fuerza contra el mismo
a la que segn la tercera ley de Newton se le opone otra fuerza igual y en sentido
contrario, esta fuerza es la que hace que los cohetes se eleven.
Por lo tanto podemos afirmar, como hemos dicho antes que la altura que toman
los cohetes es directamente proporcional a la presin a la que son sometidos los
cohetes; esto quiere decir que a mayor presin mayor altura.
La presin a la que podemos someter los cohetes est relacionada con lo ajustado
que este el tapn, cuanto ms ajustado, podremos introducir ms aire, y por lo
tanto saldr con mayor velocidad.
4 Fase: El vuelo y aterrizaje
a) El agua sale hacia abajo impulsando los cohetes, y haciendo que estos
salgan despedidos; en el momento en que salen su velocidad es mxima,
de unos 20 m/s. Como dato curioso es interesante resear que la velocidad
a la que debe ir un cohete real para vencer el campo gravitatorio terrestre
es de 11 km/s.
b) Debido al rozamiento con el aire, y sobre todo a su peso que los atrae
hacia la tierra debido a la atraccin gravitatoria, los cohetes tienen una
deceleracin de 9,8 m/s que los va frenando hasta alcanzar una altura
mxima (25-100 m), en este momento su velocidad es 0 m/s.
c) A partir de este momento los cohetes comienzan a descender, en el
descenso se activa el sistema de apertura automtica del paracadas; que
hace que el paracadas se abra y este decelera la cada de los cohetes, que
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de esta forma caen con ms suavidad evitando as que se daen y
haciendo posible su reutilizacin.
CLCULOS
En la experiencia podemos aplicar y explicar contenidos como:
Lanzamiento vertical e inclinado y cada libre
Clculo de ngulos y alturas
Ley de Pascal sobre fuerzas y presiones en fluidos
Empuje de Cohetes
Astronutica y exploracin espacial
Fuerza y movimiento
Momento de fuerza
Cantidad de movimiento
Sistemas de referencia
SIMULADORES PARA EL VUELO DE COHETES DE AGUA
Water Rocket sim
Es uno de los programas ms completos para la simulacin del vuelo de un cohete
de agua. Se pueden ajustar todos los parmetros, incluyendo el dimetro de salida
de agua y su eficiencia, el factor de drag, la presin (en atmsferas) , el ngulo de
tiro, e incluso el hecho de tener un paracadas.
Lo ms sorprendente del programa es el detalle con el que muestra sus
resultados: alcance horizontal y vertical, tiempo de vuelo, trayectoria, grficos de
velocidad- tiempo y resultados avanzados como presin inicial y final, temperatura,
cantidad de energa, etc.
Como complemento realiza un historial con los cambios de diseo o parmetros
que efectuamos en los distintos lanzamientos.
Tracker
Es un paquete de analisis de video construido sobre una plataforma Java Open
Source Physics(OSP).Incluye como caractersticas; seguimiento de objetos y su
posicin, velocidad y aceleracin laminar, grficos, filtros con efectos especiales,
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mltiples cuadros de referencia, puntos de calibracin, lneas de perfil para el
anlisis del espectro, patrones de interferencia y modelos dinmicos de partculas.
PLATAFORMA DE LANZAMIENTO
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.
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OTRO MODELO DE PLATAFORMA DE LANZAMIENTO
Se dispone de una rampa (puede servir como modelo) formada por una mesa que
se puede colocar con cualquier ngulo de inclinacin entre 0 y 90. Una plomada
permite ajustar este ngulo con una precisin de 1. Sobre la mesa est dispuesta
una gua en forma de U con las dimensiones abajo indicadas. La altura
aproximada del punto de salida de la rampa es de 1.5 m y la longitud de la gua es
de alrededor de 1.4 m.
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OTRA PLATAFORMA DE LANZAMIENTO
Base hecha en PVC para el lanzamiento de los cohetes de agua y aire
comprimido; apenas comenzaremos a construirla, pero cuando est lista publicar
las fotos para que puedan verla terminada. Los materiales para construirla son: un
manmetro de mnimo 100 PSI, tubos de PVC para presin, codos de 45,
adaptadores macho para poder desenroscar las patas y facilitar su transporte,
abrazaderas plsticas y metlicas, "O" ring para evitar la prdida de presin, racor
para hacer la conexin al compresor, tees, cruceta PVC o Tee doble, llave para
abortar el lanzamiento y pegamento para PVC.
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