PROYECTO COHETE HIDRÁULICO

LAURA ANDREA GIL GIL

GIOVANNI FORERO GONZALEZ

FÍSICA DE FUÍDOS Y TERMODINÁMICA

ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES

FACULTAD DE INGENIERÍA

BOGOTÁ D.C

2014

Introducción

El proyecto está basado en un cohete propulsado por agua y aire, que al ser comprimidos dentro de la botella diseñada artesanalmente con un dispositivo como boquilla de lanzamiento. La presión es ejercida por el aire sobre el agua ya que esta tiene una mayor densidad como el liquido no se deja comprimir se genera una fuerza que va en contra de la fuerza de atracción gravitacional que a su vez nos permitirá lanzar el cohete por propulsión, adicional a dicha fuerza se reduce la boca de la botella logrando una mayor presión y velocidad de salida del liquido esto mediante un acople rápido, que nos servirá también como mecanismo de lanzamiento mediante un acople ajustado a una plataforma diseñada con piezas reutilizadas como los son madera usada soportes de antenas de direc tv y un rotor de bicicleta. La inclusión del aire dentro de una botella se generara con una bomba de aire de bicicleta que se ajustara a una válvula de neumáticos de vehículos reteniendo esta por ultimo la presión deseada en el mecanismo. El mecanismo debe contar con un dispositivo que nos permita variar el ángulo de lanzamiento con el fin de lograr la precisión deseada.

OBJETIVOS

Objetivo General

Construir un cohete propulsado hidráulicamente

Objetivos Específicos

Construir con materiales reciclables el cohete con el fin de promover el cuidado ambiental en la realización del proyecto

Aplicar los diversos principios de la física en la ejecución del cohete

Entender y profundizar las bases conceptuales de la física aplicadas durante el proyecto

MARCO DE ANTECEDENTES

El cohete hidráulico o la propulsión a chorro de agua es conocida por el hombre durante mucho tiempo, fueron varios las inventos y aportes a través de la historia que fueron perfeccionando la física relacionada con él.

Este cohete funciona gracias el principio de función de acción-reacción formulado por Isaac Newton (Imagen 1) en su teoría de gravitación universal, el cual afirma que toda acción se opone a una reacción de igual magnitud y de sentido contrario.

Imagen 1

Los cohetes inicialmente fueron inventados por los antiguos alquimistas chinos, los cuales fueron padres de la pólvora y diferentes armas con este principio, para luego convertirse en elementos como cañones y armas de fuego para los europeos.

El verdadero inicio de la cohetería se remonta al siglo XIX con Konstantín Tsiolkovski, físico matemático que contribuyo teóricamente al desarrollo de la astronáutica gracias a su gran imaginación de viajes en espacio y viajes inter planetarios.

1Más adelante en la década de 1960, el Japón importó cohetes de agua de juguete fabricados en Alemania y los Estados Unidos. A mediados de 1980 se realizaron competiciones de cohetes de agua en Escocia.

Las botellas (Imagen 2) de polietileno tereftalato (PET) para bebidas gaseosas, que es el material que se utiliza generalmente para fabricar cohetes de agua, fueron empleadas por primera vez en 1974 en los Estados Unidos de América y su uso aumentó rápidamente a medida que se difundían entre los consumidores.

Imagen 2

A comienzos de los años 1980 se informó acerca de estudios sobre cohetes de agua realizados en el Japón. Se atribuye la fundación de la cohetería de agua en ese país a los Sres. Hayashi y Lida, maestros de secundaria en la Prefectura Aichi, que inventaron diversos tipos de cohetes d de agua con botellas de PET, tales como cohetes de dos etapas y cohetes agrupados denominados “cluster”, que combina 25 botellas de PET. En 1994, el Club de Jóvenes Astronautas del Japón se percató de los aspectos pedagógicos de los cohetes de agua y los adoptó como parte de sus actividades.

En la actualidad, la construcción y el lanzamiento de cohetes de agua se realizan de varias maneras en distintas partes del mundo. En todo el mundo se encuentran aficionados a los cohetes de agua, que intercambian información sobre diseños originales tanto de cohetes como de lanzadores. Muchos compiten con otros por superar las marcas de altura con el mismo entusiasmo e intensidad que los que disfrutan de los deportes.

1 Ishii Nobuaki. (2008). Cohetes de Agua-Manual del Educador. Organismo de Exploración Aeroespacial del Japón. Recuperado de: https://2mp.conae.gov.ar/descargas/Materiales%20/Cohetes_de_Agua-Manual_del_Educador.pdf

En muchos países de Asia, entre ellos China, Corea, Filipinas, Indonesia, Sri Lanka, Vietnam, Singapur e India, los cohetes de agua son cada vez más populares y va en aumento el número de competiciones.

En 2005 se emprendió una iniciativa internacional sobre cohetes de agua destinado a los jóvenes del Asia y el Pacífico, con el propósito de promover la educación de las ciencias espaciales. El Centro de Educación Espacial JAXA ha introducido los cohetes de agua en Colombia, Chile y España.

MARCO TEÓRICO

Con toda la funcionalidad de las botellas de polietileno tereftalato (PET) han tenido en el transcurso de los años frente al aporte dentro de los cohetes, han permitido visualizar más detenidamente la aplicación de la física como principal aspecto al involucrar diferentes leyes que lo comprueban.

Para comprender mejor el desarrollo y ejecución del proyecto se debe estudiar detenidamente dichos aspectos. Entre ellos se encuentran:

1. Ley de Acción y Reacción por Isaac Newton (3ra Ley):

2 Por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo (Imagen 3).

El enunciado más simple de esta ley es "para cada acción existe una reacción igual y contraria" siempre y cuando este en equilibrio. Existen dos clases de energía dentro de esta ley:

1.2 Ley de acción y reacción fuerte de las fuerzas: En la Ley de acción y reacción fuerte, las fuerzas, además de ser de la misma magnitud y opuestas son colineales, es decir que la forma fuerte de la ley no se cumple siempre.

1.3 Ley de acción y reacción débil de las fuerzas: La acción y la reacción deben ser de la misma magnitud y sentido opuesto (aunque no necesariamente deben encontrarse sobre una misma línea)

2 Jiménez Gloria, Gómez Diana, López Sebastián. (2013). Física Termodinámica Cohete. Escuela Colombiana de Carreras Industriales. Recuperado de: http://es.slideshare.net/GloriazJimenez/informe-final-cohete-21925189

Imagen 3

2. Presión:

Es una magnitud física que mide la fuerza por unidad de superficie, y sirve para caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una superficie (Imagen 4).

Imagen 4

3. Tiro vertical:

Es un movimiento sujeto a la aceleración de la gravedad, sólo que ahora la aceleración se opone al movimiento inicial del objeto (en este caso el cohete). El tiro vertical comprende subida, bajada de los cuerpos. (Imagen 5).

Imagen 5

4. Aire:

Se denomina aire a la mezcla de gases que forma la atmósfera terrestre, sujetos alrededor de la Tierra por la fuerza de gravedad (Imagen 6).

Imagen 6

5. Rozamiento:

Es la fuerza que se opone al desplazamiento de un cuerpo en el aire. Se produce cuando el cuerpo está en movimiento y su dirección es contraria a la del cuerpo.

Imagen 7

DESARROLLO DEL PROYECTO

1.Para llevar a cabo la práctica real del proyecto, se deben conseguir los elementos necesarios:

1. Una botella de plástico 2. Tapón de corcho o de goma3. Bomba de bicicleta (Para aire)4. Agua5. Aguja de bomba

2.Su construcción y ejecución es así:

2.1Se debe colocar agua dentro de la botella, hecho esto, se coloca el tapón de corcho en el pico de la botella y se introduce la aguja de la bomba a través del corcho.

2.2Cuando el sistema ya esté preparado, lo único que queda por hacer es colocar la botella con el corcho hacia abajo y sostenerla en esa posición con una base de apoyo.

2.3Luego se puede comenzar el experimento introduciendo aire con la bomba de aire hacia dentro de la botella. Cuanto más rápido se haga más veloz será el cohete.

Se obtiene como resultado:

3. Materiales:

Para llevar a cabo la práctica real del proyecto, se deben conseguir los elementos

necesarios los cuales se ven representados en la siguiente tabla con su respectivo

valor monetario (Tabla 1)

Tabla 1

Ejecución: La construcción del cohete hidráulico y la ejecución para el análisis práctico se llevó paso a paso como se describe a continuación; cabe resaltar que las fotografías que lo acompañan son las evidencias reales del proyecto.

1° Paso: Se buscó por medios ecológicos dos botellas de plástico de tamaño mediano de las mismas dimensiones, luego se recortó la punta de una de ellas para luego unirla en la parte trasera o “cola” de la otra botella.

2° Paso: Luego de adherir las dos botellas plásticas, se procede a recortar las láminas de radiografías, para generar el diseño de cuatro alerones que irán en la parte trasera de la botella, para luego ser pegadas de forma que las distancias sean iguales

3° Paso: Al terminar de ajustar los alerones en el cohete, procedemos hacer decoraciones a nuestro gusto asegurando que estos también permitan una mejor adherencia y solides de los materiales colocados hay.

4° Paso: Ahora se formará la base para que pueda ser expulsado el cohete, este se hará con tubos de PVC un codo, cinco amarres plásticos, teflón, una válvula de aire y una bomba. Se coloca el codo en cualquier parte del tubo de 33cm de distancia, luego añadimos los la cinta para que sujete los cinco amarres en la parte del tubo no mayor de 15 cm para el ingreso de la botella de plástico o cohete se ha lo más efectivo posible para luego colocarle el teflón en el centro de los amarres.

5° Paso: En este proceso se coloca muy delicadamente la válvula de aire para generar de ingreso de aire a la amara de la botella, para ello la válvula que será de goma o caucho que permite una mejor eficiencia en cualquier parte del codo de PVC.

6° Paso: Luego de ver terminado los dos procesos fundamentales de la base del cohete, se procede a unir las dos partes el tubo de PVC junto al codo, que dará la suficiente propulsión y aprovechamiento del mismo, por último se coloca la bomba.

7° Paso: Luego de haber terminado el cohete hidráulico, comienza la parte más real ejecución y las pruebas, para verificar que todo fuese quedado bien. Las siguientes pruebas se realizaron en una cancha de baloncesto perteneciente a un parque a las cercanías de la universidad ECCI. Como se observa en la figura 1 (Realizada por el equipo de trabajo), se hicieron 6 pruebas, ya que este cohete fue realizado con la función de tener precisión, la base fue fundamental para poder alcanzar la mejor precisión posible y acertar mejor en los objetivos propuestos a alcanza

CONCLUSIONES

El concurso realizado por el docente la construcción y planteamientos realizados para la finalización del proyecto dejan como ganancia experiencia en el campo de la hidráulica, neumática leyes de inercia,

gravedad, caída libre, presión aerodinámica y diseño en la construcción de cualquier prototipo mecánico.

Fuera de toda expectativa se logro diseñar un dispositivo de vuelo y un mecanismo de lanzamiento efectivo que deja gran enseñanza y satisfacción del deber cumplido ya que su funcionamiento fue el indicado con tan buenos resultados que al terminar la competencia se logro lanzar el cohete a a una distancia superior de 600 metros, claro está modificando la medida de agua y la presión de aire.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Información obtenida y recuperada de:

Ishii Nobuaki. (2008). Cohetes de Agua-Manual del Educador. Organismo de Exploración Aeroespacial del Japón. Recuperado de: https://2mp.conae.gov.ar/descargas/Materiales%20/Cohetes_de_Agua-Manual_del_Educador.pdf

Jiménez Gloria, Gómez Diana, López Sebastián. (2013). Física Termodinámica Cohete. Escuela Colombiana de Carreras Industriales. Recuperado de: http://es.slideshare.net/GloriazJimenez/informe-final-cohete-21925189