COHETE PROPULSADO POR AGUA Y AIRE ALVARO ROJAS

Prof. Álvaro Rojas
COHETES PROPULSADOS POR AGUA Y AIRE
INTRODUCCIÓN
La construcción y lanzamiento de cohetes propulsados o impulsados por
agua constituye una experiencia pedagógica de gran utilidad para motivar e
introducir a los niños y jóvenes en las leyes del movimiento de los cuerpos y los
principios de la astronáutica. El anhelo del hombre por alcanzar las alturas se
remonta hasta la muy remota antigüedad donde conseguimos los mitos griegos de
Dedalo e Icaro entre otros quienes intentaron conquistar los cielos.
Es el siglo XX con el desarrollo y aplicación de la física newtoniana que
abre el camino a la conquista del espacio con los pioneros, el ruso Constantin
Tsiolkowsky , el alemán Hermann Oberth y el norteamericano Robert Goddart a
comienzos del siglo XX.
Con el advenimiento de la carrera espacial, después de la segunda guerra
mundial Rusos y Norteamericanos se reparten a los científicos e ingenieros
alemanes quienes habían alcanzado mayor avance en cohetería y desarrollan
sendos programas espaciales hasta nuestros días.
Los jóvenes podrán disfrutar de la construcción 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 tapón de corcho o goma bien ajustado
y la situamos en posición vertical parado sobre sus propias alerones, al corcho se
le introduce una aguja gruesa conectada a una manguera delgada a través de la
cual introducimos aire a presión con una bomba de bicicleta, cuando la presión es
suficientemente grande el tapón se dispara saliendo hacia abajo el agua y el
cohete despega alcanzando alturas variables que pueden llegar a unos 80 m.
OBJETIVOS
Objetivo General
 Diseñar un cohete casero para enseñar cinemática y dinámica.
Objetivos Específicos
 Realizar un diagnostico de los conocimientos de los principios básicos de
Dinámica y Estática.
 Establecer el cohete como recurso didáctico para enseñar cinemática y
dinámica.
 Verificar la aceptación de cohete casero como recurso didáctico para enseñar
cinemática y dinámica.
 Ilustrar lanzamiento vertical ascendente, lanzamiento inclinado, ley de acción y
reacción, ley de la fuerza, empuje del cohete, ley de conservación del
momentum.
 Comprender los principios del movimiento de los cuerpos, mediante la
construcción de cohetes propulsados por agua, en los cuales aplicamos los
siguientes conocimientos:

3ª ley de Newton de acción y reacción.

Lanzamiento parabólico.

Ley de Pascal.

Caída libre con rozamiento.

Aerodinámica

Medición de ángulos y trigonometría

Cálculo de Alturas
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MATERIALES
Para el cohete básico

2 Botellas de plástico PET (2 litros o 1,5 litros)

Tapón de corcho o de goma

Lamina de plástico de caja de archivador o cartón grueso

Cinta transparente

Tijeras

Bomba de bicicleta

Agua

Aguja gruesa de inflar balones o de recargar tinta de impresora

Manguera transparente de acuario

Válvula de neumático o caucho de carro

Cinta métrica

Lamina de cartón negro
Opcional

Hilo y bolsas de plástico para (paracaídas)

Pinturas de colores (espray)

Cuadrante
CONSTRUCCIÓN DEL COHETE
Necesitamos construir un cohete que ofrezca la menor resistencia posible al
ascenso a través del aire, para lo cual se necesita darle forma aerodinámica, con
un cono o punta y paredes cilíndricas lisas que ofrezcan la menor resistencia
posible al aire. Además 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 poliéster claro. Se usa para hacer recipientes para bebidas
suaves como refrescos, jugos, agua, bebidas alcohólicas, 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 plástica 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 dirección, en este caso utilizamos un cartón duro o plástico.
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
silicón caliente.
8. El cohete está totalmente armado y está listo para lanzarlo.
9. Para poder impulsar el cohete se necesito la presión de un compresor que
le inyecte aire a la botella llena de agua, colocando el corcho para hacer
presión.
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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
1ª Fase: El llenado de "combustible"
El cohete va a funcionar utilizando como "combustible", un líquido que propulsará
el cohete, en nuestro caso, agua utilizando el principio de acción y reacción.
En nuestras pruebas la cantidad óptima es alrededor de 1/3 de la capacidad de la
botella, para cantidades mucho mayores,(más de la mitad) la botella despegará
con gran parte de agua en su interior lo que hará que alcance una menor altura,
en caso contrario, si se ha llenado con poca agua, se realiza un menor impulso
inicial y también alcanzaremos menor altura, el llenado es pues, una fase
importante, debemos, realizar distintas pruebas hasta determinar la cantidad de
agua más adecuada.
2ª Fase: El taponado y puesta en marcha
Una vez cargada, tapamos nuestra botella con un tapón de corcho o de goma de
laboratorio, en el que previamente hemos introducido una aguja de inflador de
balones o un canutillo de bolígrafo.
Esta es la fase más crítica, en la construcción de los cohetes de agua y de ella
depende gran parte del éxito del vuelo, el tapón debe quedar lo más hermético
posible, para que en el momento del inflado no pierda agua, además cuanto más
apretado este más presión de aire soportará por tanto el impulso inicial y la altura
alcanzada será mayor.
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3ª Fase: El inflado y despegue
Después de taponar bien el cohete y conectar la goma del inflador colocamos, con
ayuda de una plataforma, el cohete en posición vertical o inclinada en el caso de
que queramos un vuelo parabólico 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 presión en su
interior, cuando la presión llega a un determinado valor el tapón salta y el liquido
es desplazado contra el suelo, de esta forma se realiza una fuerza contra el mismo
a la que según 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 presión a la que son sometidos los
cohetes; esto quiere decir que a mayor presión mayor altura.
La presión a la que podemos someter los cohetes está relacionada con lo ajustado
que este el tapón, cuanto más ajustado, podremos introducir más aire, y por lo
tanto saldrá con mayor velocidad.
4ª 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 máxima,
de unos 20 m/s. Como dato curioso es interesante reseñar 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 atracción gravitatoria, los cohetes tienen una
deceleración de 9,8 m/s² que los va frenando hasta alcanzar una altura
máxima (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 automática del paracaídas; que
hace que el paracaídas se abra y este decelera la caída de los cohetes, que
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de esta forma caen con más suavidad evitando así que se dañen y
haciendo posible su reutilización.
CÁLCULOS
En la experiencia podemos aplicar y explicar contenidos como:

Lanzamiento vertical e inclinado y caída libre

Cálculo de ángulos y alturas

Ley de Pascal sobre fuerzas y presiones en fluidos

Empuje de Cohetes

Astronáutica y exploración 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 más completos para la simulación del vuelo de un cohete
de agua. Se pueden ajustar todos los parámetros, incluyendo el diámetro de salida
de agua y su eficiencia, el factor de drag, la presión (en atmósferas) , el ángulo de
tiro, e incluso el hecho de tener un paracaídas.
Lo más sorprendente del programa es el detalle con el que muestra sus
resultados: alcance horizontal y vertical, tiempo de vuelo, trayectoria, gráficos de
velocidad- tiempo y resultados avanzados como presión inicial y final, temperatura,
cantidad de energía, etc.
Como complemento realiza un historial con los cambios de diseño o parámetros
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 características; seguimiento de objetos y su
posición, velocidad y aceleración laminar, gráficos, filtros con efectos especiales,
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múltiples cuadros de referencia, puntos de calibración, líneas de perfil para el
análisis del espectro, patrones de interferencia y modelos dinámicos de partículas.
PLATAFORMA DE LANZAMIENTO
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.
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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 ángulo de inclinación entre 0º y 90º. Una plomada
permite ajustar este ángulo con una precisión de 1º. Sobre la mesa está dispuesta
una guía 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 guía 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 esté lista publicaré
las fotos para que puedan verla terminada. Los materiales para construirla son: un
manómetro de mínimo 100 PSI, tubos de PVC para presión, codos de 45º,
adaptadores macho para poder desenroscar las patas y facilitar su transporte,
abrazaderas plásticas y metálicas, "O" ring para evitar la pérdida de presión, racor
para hacer la conexión al compresor, tees, cruceta PVC o Tee doble, llave para
abortar el lanzamiento y pegamento para PVC.
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