COHETE HIDRAULICO
Los cohetes de agua y los cohetes reales funcionan según los mismos principiosde vuelo. Los cohetes que vuelan recto y alto cumplen con los principios científicos apropiados.
PARTES
PRINCIPIOS QUE RIGEN LOS COHETES
Ley de Conservación del Momentum
Masa multiplicada por velocidad igual “momentum”. Se expresa mediante la ecuación:
Momentum=masa × velocidad
Cada objeto tiene propensión a mantener un momentum constante antes y después de un movimiento. Esto se conoce como la “Ley de Conservación del Momentum”. Aquí citaremos y aplicaremos esta ley para explicar la física de los cohetes. En aras de la simplicidad, presupondremos que un cohete en reposo tiene cierta masa: Masa = M + m, donde “M” es la masa del cuerpo del cohete y “m” es la masa del combustible. El cohete quema su combustible en un instante y expulsa gas hacia atrás con una masa “m” a una velocidad “Ve”. El valor “V” es la velocidad que ha adquirido el cohete mediante la expulsión del combustible (suponiendo que la resistencia del aire = 0). Como la velocidad del cohete antes de lanzar el combustible es 0, el momentum es por supuesto 0. El momentum del combustible “p” expulsado se expresa como p = m × (-Ve), y el momentum “P” del cohete que ha empezado a moverse debido a la fuerza de reacción se expresa como P = M × V. Así, el total de los dos momentum es: P + p = MV – mVe. Con esta ecuación, el símbolo ‘menos’ en – mVe significa que la dirección del combustible expulsado es opuesta a la dirección
hacia la cual se mueve el cohete.
Momentum antes del movimiento = momentum después del movimiento = momentum total delcohete y el momentum de expulsión del combustible. Esto se expresa como:
O = MV – mVe.
De esta ecuación, se deduce la siguiente:
V = (m/M) Ve …… (A)
En otras palabras, significa que el cohete se mueve hacia adelante para compensar el momentum del combustible que ha sido expulsado. De este modo, podemos concebir fácilmente el movimiento del cohete aplicando el concepto de momentum. Sin embargo, notará que con un cohete real el combustible se quema durante un período determinado de tiempo y no en un instante. Por lo tanto, la velocidad final del cohete es igual a la velocidad obtenida mediante la sumatoria sucesiva de la ecuación (A) anterior. Por ejemplo, la velocidad requerida por un satélite artificial que gira alrededor de la órbita de la Tierra es de aproximadamente 7,9 km/s, es decir, 28.500 km/hora, lo que casi equivale a un sorprendente Mach 23. ¿Qué se debe hacer para que el cohete alcance una velocidad tan asombrosa? Para acelerar el cohete como en la ecuación (A) mencionada anteriormente, hay tres métodos
posibles:
Aumentar la velocidad de expulsión del agua
La manera más directa para aumentar la velocidad de expulsión del agua es aumentar la presión dentro del depósito. Sin embargo, advertimos de que una presión excesiva podría tener como resultado el estallido de la botella de PET. De tal manera que es aconsejable determinar la presión solamente después de haber considerado debidamente la presión máxima de seguridad que resiste la botella. Asegúrese también de verificar con suficiente anticipación que su botella no tiene ningún defecto.
El uso de un líquido más liviano que el agua podría también servir para aumentar la velocidad de expulsión. Sin embargo, NO utilice líquidos inflamables, tal como el alcohol, que son muy peligrosos.
Mientras más grande sea el
orificio de la boquilla, más baja será la velocidad de la expulsión de lanzamiento, ya que se reduce
la presión interna a una velocidad mucho mayor. Por otro lado, mientras más pequeño sea el orificio,
más durará la aceleración porque la expulsión del agua demorará más. Debe existir un tamaño óptimo
para el orificio
2) Aumentar la cantidad de agua que va a ser expulsada
Mientras mayor sea la cantidad de agua, más tiempo necesitará la aceleración del cohete. Sin
embargo, demasiada agua significa un volumen proporcionalmente más pequeño de aire, que reduce
la presión interna de aire. No se puede obtener suficiente velocidad de expulsión cuando también tiene
que acelerar el cuerpo de un cohete que tiene más peso debido al agua adicional que se ha cargado.
Llevando las cosas al extremo opuesto, no se obtendrá suficiente velocidad si la cantidad de agua
es insuficiente; recuerde, el empuje es generado por el agua que está siendo expulsada del cohete.
La cantidad de agua debería ser de aproximadamente un cuarto o un tercio del volumen cúbico de
la botella. Si desea aumentar la cantidad de agua mientras mantiene el volumen de aire presurizado,
puede diseñar un cohete con depósitos independientes de agua y aire.
Este método se asemeja a la construcción de un cohete de agua de mayor tamaño con un
depósito de gran capacidad. Le alentamos a utilizar su imaginación al considerar este problema, pero
cuide que su cohete de agua sea fuerte y seguro. Verifique que todos los acoples y conexiones sean
perfectamente herméticos.
3.Disminuir la masa del cohete de agua
NUNCA intente desbastar, limar, rebanar o reducir de otro modo el peso de la botella de PET
porque corre el riesgo de que ésta explote. Lo importante es alivianar el cuerpo del cohete eliminando
los accesorios innecesarios. Recuerde, sin embargo, que los accesorios incluyen las aletas, el faldón
y el lastre de plastilina o de arcilla para moldear, todos los cuales son indispensables para lograr un
vuelo estable. De hecho, el cohete no puede volar recto sin las aletas y el lastre. Demasiado es tan
perjudicial como muy poco.
4) Minimizar la resistencia del aire
Es también muy importante minimizar la resistencia del aire durante el vuelo. Por lo tanto, conviene
fabricar el exterior del cohete tan liso y suave como sea posible y reducir al mínimo las partes
sobresalientes y los accesorios innecesarios
PRINCIPIO DE PASCAL:
Es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise pascal(1623–1662) que se resume en la frase: la presion ejercida por un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente de paredes indeformables, se transmite con igual intensidad en todas las direcciones y en todos los puntos del fluido.
El principio de Pascal se aplica en la hidrostática para reducir las fuerzas que deben aplicarse en determinados casos. Un ejemplo del Principio de Pascal puede verse en la prensa.
Ley de Acción y Reacción – Tercera Ley de Newton:
Siempre que un objeto ejerce una fuerza sobre un segundo objeto, el segundo objeto ejerce una fuerza de igual magnitud y dirección opuesta sobre el primero. Con frecuencia se enuncia como “A cada acción siempre se opone una reacción igual”. En cualquier interacción hay un par de fuerzas de acción y reacción, cuya magnitud es igual y sus direcciones son opuestas. Las fuerzas se dan en pares, lo que significa que el par de fuerzas de acción y reacción forman una interacción entre dos objetos.
Un cohete de agua también vuela por medio de la propulsión a reacción. Vuela aprovechando
una reacción resultante del agua que está siendo expulsada por el aire comprimido que transporta.
TIRO PARABOLICO:
Cuando lanzamos un cuerpo con una velocidad que forma un ángulo con la horizontal, éste describe una trayectoria parabólica. En su obra Dialogo sobre los Sistemas del Mundo (1633), Galileo Galilei expone que el movimiento de un proyectil puede considerarse el resultado de componer dos movimientos simultáneos e independientes entre sí: uno, horizontal y uniforme; otro, vertical y uniformemente acelerado.
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.
AERODINAMICA:
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.
Centro de gravedad y centro de fuerza aerodinámica
La gravedad de la Tierra afecta a todo lo que tiene masa. El centro de gravedad es el punto desde el
cual el peso de un cuerpo o sistema podría ser considerado actuante. Cuando un cohete es sometido a una
fuerza externa, tal como viento lateral, gira en torno a su centro de gravedad. Por lo tanto, se puede decir que
el centro de gravedad del cohete durante el vuelo coincide con el centro de la rotación de la posición de vuelo.
Durante el vuelo, un cohete está sometido al impacto del aire que fluye a su alrededor.
En el caso de cohetes con aletas, el cono de la nariz, el cuerpo del cohete (estructura) y las aletas son sometidos
a una fuerza aerodinámica en ese orden. Dado que el centro aerodinámico es el centro de acción de la
fuerza aerodinámica, mientras más grandes son las aletas del cohete, mayor es la fuerza aerodinámica que
las afecta, con lo cual el centro aerodinámico se traslada hacia la parte trasera del cohete (el lado donde están
las aletas).
Estabilidad de aerodinamica:
El sistema estabilizador de la posición de vuelo en base a fuerza aerodinámica se conoce como estabilidad
aerodinámica. Que el cohete pueda mantener su estabilidad, depende de la relación de la posición entre su centro de rotación y el centro aerodinámico.
La posición de vuelo del cohete rota alrededor del centro de gravedad. Cuando está en vuelo, el cohete recibe viento de la dirección hacia donde se dirige. En todo momento, la aletas orientan la nariz del cohete hacia la dirección del movimiento. Por lo tanto, mientras más grandes sean las aletas, mayor será la estabilidad en la posición de vuelo. Sin embargo, las aletas deberían ser de tamaño moderado, ya que si son muy grandes añadirán demasiado peso al cohete.
Agrandar el tamaño de las aletas no es la única manera de lograr la estabilidad. Aunque las aletas pueden estabilizar la posición de
vuelo de un cohete, también podrían causar un cambio de la dirección del vuelo en dirección del viento lateral. En
otras palabras, las aletas son vulnerables al viento. Lo que es más, la estabilidad aerodinámica que brindan las aletas
no funciona en el espacio exterior, donde el aire escasea y donde la fuerza aerodinámica no cumple ninguna función.
Estabilización de la rotación:
La estabilización de la rotación, basada en la fuerza de rotación, es un método para estabilizar
la posición de vuelo del cohete sin tener que recurrir a la fuerza aerodinámica. De hecho, la estabilización de la
rotación, que logra la estabilidad de la posición de vuelo mediante la rotación del cuerpo, se utiliza
a menudo en cohetes y satélites.
La estabilidad aerodinámica es necesaria para que el cohete vuele recto, y necesita aletas
para trasladar el centro aerodinámico hacia atrás en relación con el centro de gravedad. Además,
el lastre se pega en la nariz del cohete para trasladar el centro de gravedad hacia adelante. la manera de armonizar la diferencia entre el centro de gravedad inmediatamente después del lanzamiento, cuando todavía queda bastante agua en la botella, y el centro de gravedad, después de que toda el agua ha sido expulsada. Las aletas fijadas en un ángulo inferior a 90 grados darán lugar a una fuerza de rotación engendrada por la fuerza aerodinámica durante el curso del vuelo, proporcionando una estabilización de la rotación. La estabilidad aerodinámica hace al cohete vulnerable a vientos laterales. La estabilización de la rotación lo hace invulnerable a los vientos laterales, permitiéndole mantener su posición de vuelo inicial. En términos de trayectoria balística del cohete, los cohetes estabilizados aerodinámicamente vuelan a lo largo de sus trayectorias mientras que los cohetes cuya rotación está estabilizada tienden a seguir volando en su posición de vuelo inicial. En otras palabras, cuando caen, los primeros lo hacen con la nariz apuntando hacia el suelo, en tanto que los últimos lo hacen con la nariz hacia arriba.
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