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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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