Proyecto – Cohete Hidráulico

Marlon Duvan Barbosa

Juan Carlos Lara Molina

Sergio Vanegas Pinilla

Física Termodinámica y de Fluidos (3M)

Lic. Ing. Javier Bobadilla

Universidad Escuela Colombiana de Carreras Industriales

Facultad de Ingeniería

Tecnología en Mecánica Automotriz

Bogotá – Cundinamarca

2014

TITULO: COHETE HIDRAULICO DE MATERIALES RECICLABES.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL:

Construir un modelo de cohete, el cual funcione a partir de sistemas hidráulicos,

siendo el agua su propulsante de reacción o combustible, y usando en su

fabricación elementos caseros o del uso común y del mínimo de capital monetario.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

1. Obtener el conocimiento, bases teóricas y físicas necesarias para la realización

correcta del modelo de cohete, generando una idea, la cual abarque la viabilidad,

costos y materiales adecuados.

2. Realizar los bocetos y el diseño del modelo, en los cuales se apliquen los

conceptos teóricos obtenidos, con el fin de corregir posibles errores y establecer

dimensiones y materiales concretos y finales.

3. Constriur el modelo de cohete, en el cual se generen las finalidades planteadas

y por medio de procedimientos adecuados se obtenga precisión, funcionalidad,

gran propulsión y seguridad en su uso.

ANTECEDENTES:

La implementación de botellas PET (Polietileno Tereftalato), como medio de

fabricación para cohetes de agua se remonta a 1974, año en el que dicho material

se difundía en los consumidores de los Estados Unidos para la distribución de

bebidas gaseosas, ya que dicho tipo de cohetes hidráulicos se empezaron a usar

en la década de 1960 en Alemania para la creación de juguetes costosos, los

cuales eran importados por Japón.

Las primeras competencias realizadas de cohetes de agua se realizaron en la

década de 1980 en la zona de Escocia, y en el año 1983 se comenzó a escribir

sobre la construcción de cohetes de agua con botellas PET, en la revista

norteamericana “Mother Earth News”, (noticias de la madre tierra).

En el año 2001, en Inglaterra nace “Water Rocket Challenge”, una competencia de

cohetes de agua, en búsqueda de resolver la necesidad de la afición de dichos

cohetes por parte de la población de esta época, en donde se medían unos a otros

en disciplinas como la mayor altura, el mayor alcance o la mejor precisión, con la

misma intención con la que se disfrutaban los deportes en ese entonces.

Desde sus inicios, la afición por los cohetes de agua ha crecido conforme se

implementan materiales novedosos en su funcionamiento. En el año 2005 se

emprendió una iniciativa internacional sobre cohetes hidráulicos, con el fin de

generar la educación de las ciencias espaciales en los jóvenes estudiantes del

pacifico y de la zona de Asia. En las regiones de Colombia, Chile y España, esta

práctica fue introducida por el centro de educación espacial JAXA. Desde

entonces dicha práctica se ha implementado alrededor del mundo en escuelas,

museos de ciencias y universidades.

Los diseños de los cohetes han cambiado progresivamente, donde se encuentran

varios tipos; cohetes de etapa simple, los cuales son elaborados con una o dos

botellas PET, los de doble o varias etapas, los cuales usan dos, tres o más

botellas, los cohetes con paracaídas integrado o cohetes experimentales los

cuales cuentan con una cámara a bordo, con imagen fija o video.

En la actualidad, las competencias de cohetes de agua han estandarizado sus

reglas y desempeño, al punto que la cantidad de liquido y presión de bombeo de

cada uno de los participantes es igual, con el fin de garantizar la justicia, en donde

se miden aspectos como la longitud horizontal alcanzada desde un punto a, hasta

un punto b, en lugares amplios donde se pueda llevar a cabo dicha proposición,

hasta la distancia vertical alcanzada, en donde son primordiales los cohetes con

paracaídas a bordo, o competencias en donde se mide el tiempo de vuelo de los

cohetes.

Las aplicaciones de los cohetes hidráulicos son principalmente educativos en los

centros de enseñanza como colegios o universidades, con el fin de incentivar a los

niños y jóvenes por la ciencia, haciendo uso de su propio ingenio, creatividad y

curiosidad, logrando sus objetivos y adquiriendo habilidades de solución de

problemas y de un gran sentido de satisfacción al construir sus propios cohetes y

haber logrado que funcionaran mejor.

MARCO TEORICO:

COHETE HIDRAULICO:

Un cohete de agua, de botella o hidráulico es un modelo a escala de cohete el

cual usa como sistema propulsor el agua en su interior, debido a que es impulsada

generalmente por un gas a compresión, el cual suele ser aire.

3ra LEY DE NEWTON:

Esta ley postula que la fuerza que impulsa un cuerpo genera una fuerza igual que

va en sentido contrario. Es decir, si un cuerpo ejerce fuerza en otro cuerpo, el

segundo cuerpo produce una fuerza sobre el primero con igual magnitud y en

dirección contraria. La fuerza siempre se produce en pares iguales y opuestos. Por

esta razón, a la tercera ley de Newton también se le conoce como ley de acción y

reacción.

El principio que explica la propulsión de un cohete de agua es la ley de la

conservación de la cantidad de movimiento, este principio establece que en

ausencia de fuerzas externas la cantidad de movimiento de un sistema, p, que es

el producto de su masa por su velocidad, permanece constante o lo que es lo

mismo su derivada es igual a cero:

ECUACION DEL COHETE DE TSIOLKOVSKI:

La ecuación del cohete de Tsiolkovski, llamada así por Konstantin Tsiolkovski que

fue el primero que la derivó, dice que el incremento de velocidad debido a la

acción del motor cohete, Δv, es proporcional al logaritmo del cociente entre la

masa inicial, mi , y la masa final del vehículo, mf, siendo la constante de

proporcionalidad igual al producto de la aceleración de la gravedad, g, por el

impulso específico del cohete, Is, (parámetro que depende del tipo de propulsante

utilizado).

Δv = g Is ln (mi/mf)

Aunque es una simplificación extrema, la ecuación del cohete muestra lo esencial

de la física del vuelo del cohete en una única y corta ecuación. La magnitud delta-

v es una de las cantidades más importantes en mecánica orbital que cuantifica lo

difícil que es cambiar de una trayectoria a otra.

Claramente, para conseguir un delta-v elevada, debe ser   elevada (crece

exponencialmente con delta-v), o   debe ser pequeña, o   debe ser elevada, o

una combinación de éstos.

MOVIMIENTO PARABOLICO:

Se denomina movimiento parabólico al realizado por un objeto cuya trayectoria

describe una parábola. Se corresponde con la trayectoria ideal de un proyectil que

se mueve en un medio que no ofrece resistencia al avance y que está sujeto a un

campo gravitatorio uniforme.

El tiro parabólico es un movimiento que resulta de la unión de dos movimientos: El

movimiento rectilíneo uniforme (componentes horizontales) y, el movimiento

vertical (componente vertical) que se efectúa por la gravedad y el resultado de

este movimiento es una parábola.

El tiro parabólico, es la resultante de la suma vectorial de un movimiento horizontal

uniforme y de un movimiento vertical rectilíneo uniformemente variado.

AERODINÁMICA:

Aerodinámica es la parte de la mecánica de fluidos que estudia los gases en

movimiento y las fuerzas o reacciones a las que están sometidos los cuerpos que

se hallan en su seno. A la importancia propia de la aerodinámica hay que añadir el

valor de su aportación a la aeronáutica. De acuerdo con el número de Mach o

velocidad relativa de un móvil con respecto al aire, la aerodinámica se divide

en subsónica y supersónica según que dicho número sea inferior o superior a la

unidad.

Hay ciertas leyes de la aerodinámica, aplicables a cualquier objeto moviéndose a

través del aire, que explican el vuelo de objetos más pesados que el aire. Para el

estudio del vuelo, es lo mismo considerar que es el objeto el que se mueve a

través del aire, como que este objeto esté inmóvil y es el aire el que se mueve (de

esta ultima forma se prueban en los túneles de viento prototipos de aviones).

Como ejemplo del ámbito de la aerodinámica podemos mencionar el movimiento

de un avión a través del aire, las fuerzas que el viento ejerce sobre una estructura

o el funcionamiento de un molino de viento, entre otros. La presencia de un objeto

en un fluido gaseoso modifica la repartición de presiones y velocidades de las

partículas del fluido, originando fuerzas de sustentación y resistencia. La

modificación de unos de los valores (presión o velocidad) modifica

automáticamente en forma opuesta el otro.

Las primeras formas de estudio sobre los fenómenos aerodinámicos nos llevan a

la Antigüedad, contexto histórico en el cual los primeros matemáticos y físicos ya

conocían y habían logrado establecer las características principales de algunos

fenómenos del área. Sin duda alguna, personajes como Leonardo Da Vinci,

Galileo e Isaac Newton colaborarían posteriormente de gran modo a comprender

el movimiento presentado por el aire alrededor de distinta clase de objetos.

CRONOGRAMA:

SEMANA

PROCESO 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15

Titulo, objetivos,

antecedentes

Diseño del

prototipo

Marco teórico, cronograma, bibliografía

Realización del prototipo

Primera prueba

Arreglos prototipo

Presentación final del proyecto

MATERIALES:

-3 botellas de gaseosa de 1.65 litros.

-Cartón industrial.

.-Silicona Liquida y en barras.

-Tuvo de PVC de ½ pulgada por 30 centímetros.

-Válvula de ingreso para el aire.

-Cinta industrial “Maguiever”.

-Varillas redondas o retazos metálicos.

-Pastilla de freno utilizada como base de soporte.

-Segueta.

-Tijeras.

-Amarres plásticos.

-Tuvo de PVC de mayor diámetro.

-Cuerda o Cable de aproximadamente 1 metro de largo.

-Cinta de Teflón.

-Tornillo de ¼ de pulgada por 20 centímetros como pasador.

-Bomba de aire manual.

-Equipo de soldadura básico, de amperaje bajo.

EVIDENCIAS:

CONCLUSIONES:

Se realizo un modelo de cohete hidráulico apropiado, con el que se logro llegar a

la marca de los 14.5 metros, en un promedio de siete de cada diez lanzamientos,

con un margen de error de medio metro hacia adelante y hacia atrás de la marca.

Se evidencio la necesidad de un balance equivalente entre el uso de agua y aire

para el movimiento del cohete, ya que al usar poca agua el cohete no se mueve

una gran distancia, pero usando una cantidad de aire menor obtenemos el mismo

resultado, por lo cual, basándonos en el peso y dimensiones del cohete se

estableció la medida de mayor aire que agua, contabilizando de 16 a 18

movimientos lineales de la bomba manual.

Al ser un cohete de mediano tamaño, este necesita de mayores cantidades de

agentes propulsores, pero al tener una marca fija establecida de caída se concluyo

que para lograr dicho parámetro se necesita lanzar el cohete en un ángulo bajo,

pero no perfectamente recto, sino de aproximadamente 25 a 30 grados.

Los alerones juegan un papel muy importante en la aerodinámica del cohete ya

que luego de un ensayo – error con alerones de cartón y acetato, se logro

evidenciar que al ser mojados estos se deformaban, y al continuar las pruebas de

esta manera el cohete no lograba viajar en sentido recto, sino que se movía en el

aire de forma errante y desviada.

Luego de errores de cálculo y fabricación evidenciados en las distintas pruebas

realizadas, se logro establecer parámetros de funcionamiento adecuado del

cohete, utilizando los materiales indicados en partes clave, y obteniendo una muy

satisfactoria experiencia de vuelo y unos resultados muy prometedores sobre la

marca de alcance establecida anteriormente.

WEBGRAFIA:

Cohete de agua – Internet:

<http://es.wikipedia.org/wiki/Cohete_de_agua>

Tercera ley de Newton – Internet:

<http://leoberrios.files.wordpress.com/2011/10/leyes-de-newton.pdf>

Ecuación de Tsiolkovski – Internet:

<http://aerobib.aero.upm.es/Sputnik/ecuacion.htm>

Ecuación del cohete – Internet:

<http://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_del_cohete_de_Tsiolkovski>

Movimiento Parabólico – Internet:

<http://www.uaeh.edu.mx/docencia/P_Presentaciones/prepa4/fisica/Tiro

%20Parabolico.pdf>

Principios de Aerodinámica – Internet:

<http://www.manualvuelo.com/PBV/PBV12.html>