COHETE HIDRÁULICO

PRESENTADO POR:

NICOLAS BUITRAGO JIMENEZCOD: 7488

GRUPO: 5M

PRESENTADO A:

JAVIER HUMBERTO BOBADILLA AHUMADA

UNIECCIFISICA TERMODINAMICA

BOGOTA D.C MAYO 2015

CONTENIDO PAG

1 INTRODUCCION....................................................................................................................3

2 OBJETIVOS PROYECTO..........................................................................................................4

2.1 Objetivo general...........................................................................................................4

2.2 Objetivos Específicos....................................................................................................4

3 ANTECEDENTES....................................................................................................................5

4 MARCO TEORICO.............................................................................................................6-11

5 ELABORACION PROYECTO..................................................................................................12

5.1 Procedimiento paso a paso.......................................................................................13-15

6 PRUEBAS DE LANZAMIENTO REALIZADAS.....................................................................15-16

7 PRESENTACION FINAL PROYECTO.................................................................................16-17

8 CONCLUSIONES..................................................................................................................18

9 BIBLIOGRAFIA ………………………………………………………………………………………………………………….19

1. INTRODUCCION

La construcción y  el lanzamiento del cohete hidráulico  fue un experimento físico muy interesante, porque en él se aplican de manera práctica muchos principios básicos de la física de fluidos .Entender estos principios ayuda a diseñar bien los cohetes para hacerlos más eficientes, pero también permite conocer estos conceptos teóricos y aprender más acerca de estos.

2. OBJETIVOS

2.1. Objetivo general

Diseñar un cohete hidráulico en lo cual se utilicen materiales reciclables para su construcción, empleando así cada uno de los aspectos y conceptos en cuanto a la física mecánica como en la física de fluidos y termodinámica. Y de esta manera determinar cálculos que nos conlleven a un resultado efectivo en el proyecto.

2.2. Objetivos específicos

Aplicar  y  desarrollar una profundización en el tema de los fluidos en algunos elementos y principios de la física.

Efectuar las leyes del movimiento como lo es el tiro semiparabólico.

Emplear los conceptos de caída libre de rozamiento y Aerodinámica.

Comprender todo acerca de la cohetería hidráulica; antecedentes, historia, procedimientos en base a las especificaciones de construcción, el diseño de cohete y Ejecución las pruebas de lanzamiento.

3. ANTECEDENTES

Históricamente el cohete tiene sus orígenes con el descubrimiento de la pólvora por los antiguos alquimistas chinos y sus aplicaciones para distintos tipos de armas derivaron el desarrollo de los cohetes o "proyectiles de fuego" (huo pao) a partir del siglo XI.

Entre los siglos X y XIII, los mongoles y árabes llevaron a Occidente el principal componente de sus primeros cohetes: la pólvora (una mezcla compuesta por 75% de nitrato de potasio, 15% de carbono y 10% de azufre). Ésta fue usada por los europeos en inventos como el cañón y la pistola, así como en cohetes bélicos, que llegaban a volar una distancia de hasta seis kilómetros. Sin embargo el verdadero inicio de la cohetería se remonta al siglo XIX con Konstantin Eduardovitch Tsiolkovsky, profesor de matemáticas y física ruso, quien contribuyó teóricamente al desarrollo de la astronáutica.

A finales del siglo XIX y principios del siglo XX, aparecieron los primeros científicos que vieron el cohete como sistema para propulsar vehículos aéreos espaciales tripulados, entre los cuales cabe destacar al ruso Konstantin Ciolkovskij, al alemán Hermann Julius Oberth y al estadounidense Robert Hutchings Goddard, y, más tarde a los rusos Sergej Korolev y Valentin Gruchensko y al alemán Wernher von Braun.

En otra parte del mundo, Robert Goddard, norteamericano, estudió sobre la dinámica de los cohetes. En su obra “Un método para alcanzar grandes alturas” postuló la idea de construir un cohete de combustible líquido.

La construcción de cohetes se formalizó con Werher Von Braun, prusiano nacido en 1912 que se inició como constructor de cohetes experimentales. Construyo varios modelos que inicialmente eran financiados por la Luptwaffe, que tenía como interés principal dotar a sus aviones con mísiles balísticas.

En la actualidad, la construcción y el lanzamiento de cohetes hidráulicos se realizan de varias maneras en distintas partes del mundo. Los modelos de cohetes son populares en los Estados Unidos y escuelas, museos de ciencias, etc.

4. MARCO TEORICO

Para la elaboración del proyecto es necesario comprender diferentes factores o principios los cuales interviene para el desarrollo apropiado en la cohetería hidráulica; es por ello que se define cada uno de estos conceptos físico los cuales son importantes para su aplicación:

¿Qué es un cohete?

Básicamente es una maquina autopropulsada voladora que funciona gracias a las leyes básicas de la física; el peso, el empuje, la sustentación aerodinámica y la resistencia aerodinámica son factores determinantes en el vuelo de este tipo de artefactos, donde:

La fuerza peso, es generada por la atracción gravitacional de la tierra depende de la masa, pero en este caso como no la conserva durante todo el vuelo consideraremos la masa total sólo en el primer momento y aplicada en el centro de gravedad.

La fuerza Empuje, es la que impulsa hacia arriba y genera el movimiento principal del cohete.se generada por la salida de la masa desde un extremo a alta velocidad cumpliendo con el principio de acción y reacción.

La sustentación aerodinámica: se produce por la acción de las superficies de sustentación cuando el cohete se desplaza.

La resistencia aerodinámica: es generada por el rozamiento del cuerpo del cohete con el aire oponiéndose al movimiento vertical, Fuerza que actúan en un cohete.

¿Qué es un cohete hidráulico?

Un cohete de agua o un cohete hidráulico es un tipo de cohete de modelismo que usa agua como propelente de reacción. La cámara de presión, motor del cohete, es generalmente una botella de plástico. El agua es lanzada fuera por un gas a presión, normalmente aire comprimido, lo que impulsa el cohete según la 3ª ley de Newton.

PRINCIPIOS DE LA COHETERÍA HIDRÁULICA

LEY DE ACCIÓN Y REACCIÓN

Por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma: Las fuerzas siempre se presentan en pares de igual magnitud y sentido opuesto y están situadas sobre la misma recta.

Esta es la forma fuerte de la tercera ley, permite enunciar los principios de conservación del momento lineal y del angular. El enunciado más simple de esta

ley es “para cada acción existe una reacción igual y contraria” siempre y cuando este en equilibrio.

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. La forma fuerte de la ley no se cumple siempre. En particular, la parte magnética de la fuerza de Lorentz que se ejercen dos partículas en movimiento no son iguales y de signo contrario.

Ley de acción y reacción débil:

La acción y la reacción deben ser de la misma magnitud y sentido opuesto (aunque no necesariamente deben encontrarse sobre la misma línea)

Todas las fuerzas de la mecánica clásica y el electromagnetismo no relativista cumplen con la formulación débil, si además las fuerzas están sobre la misma línea entonces también cumplen con la formulación fuerte de la tercera ley de Newton.

LEYES DE NEWTON

Primera ley:

La primera ley de Newton, establece que un objeto permanecerá en reposo o con movimiento uniforme rectilíneo al menos que sobre él actúe una fuerza externa. Puede verse como un enunciado de la ley de inercia, en que los objetos permanecerán en su estado de movimiento cuando no actúan fuerzas externas sobre el mismo para cambiar su movimiento.

Aplicándolo al proyecto si no existieran fuerzas externas que actúen sobre un cuerpo, este permanecerá en reposo o se moverá con una velocidad constante en línea recta.

Segunda Ley:

Establece que cuando se aplica una fuerza a un objeto, este se acelera, dicha a aceleración es en dirección a la fuerza y es proporcional a su intensidad y es inversamente proporcional a la masa que se mueve, entonces si la masa del cuerpo aumenta o disminuye en este caso el cohete, la aceleración disminuye o aumenta, por lo que debes establecer la cantidad de movimiento (p) equivale al producto de la masa de un cuerpo por su velocidad.

Tercera ley:

En la tercera ley de Newton tenemos la explicación de cuando se genera una fuerza al mismo tiempo estamos generando otra en sentido contrario, fuerzas que se conocen como acción y reacción generadas de igual magnitud sin importar a cual llamemos acción o reacción;

En este caso aplica para el cohete cuando la acción será lo que podemos observar en el momento cuando el cohete expulsa el agua debido a la presión generada con aire bombeado al interior; esta fuerza es generada hacia atrás como un “empuje” la cual tiene como reacción y de igual magnitud la que hace que nuestro cohete se eleve.

EMPUJE:

Todo cuerpo que se introduzca en un líquido, experimenta un “empuje” de abajo hacia arriba que es equivalente al peso del volumen del líquido desalojado.

Un objeto flota si su densidad media es menor que la densidad del agua .Si este se sumerge por completo, el peso del agua que desplaza (el empuje) es mayor que su propio peso, y el objeto es impulsado hacia arriba y hacia afuera del agua hasta que el peso del agua desplazada por la parte sumergida sea exactamente igual al peso del objeto flotante.

El empuje del cohete, es el resultado de la eyección de material a alta velocidad y no requiere de ningún medio contra que "empujar". La conservación del momento dicta que, si cierto material es expulsado hacia atrás, el momento del resto del cohete debe aumentar, ya que un sistema aislado no puede cambiar su momento neto.

AERODINAMICA

Rama de la mecánica de fluidos que se ocupa del movimiento del aire y otros fluidos gaseosos, y de las fuerzas que actúan sobre los cuerpos que se mueven en dichos fluidos.

La resistencia Aerodinámica de un objeto va a variar dependiendo su forma por ejemplo los objetos redondos como una pelota, experimentan una resistencia

aerodinámica media, la forma del ala de un avión minimiza la resistencia aerodinámica, los objetos planos con aristas marcadas, como una caja, experimentan una resistencia elevada al avance.

Es por eso que la forma del cohete es importante en su confección, la nariz del cohete es primordial así como la forma del fuselaje, por tal motivo la punta del cohete tendría que tener una forma ojival hacia la punta del y más alargado hacia el extremo de la parte inferior.

Cuando un cohete entra en movimiento debido a que el empuje es mayor que su peso, se originan dos fuerzas aerodinámicas el roce y el levantamiento. Estas fuerzas aerodinámicas son generadas por: las aletas, la nariz o punta y el tubo del cuerpo del cohete. Tanto el roce como el levantamiento se aplican sobre el centro de presión del cohete. La fuerza de levantamiento es una fuerza perpendicular a la dirección de vuelo: en los aviones es opuesta al peso, sin embargo en los cohetes no ocurre así, es el empuje la fuerza opuesta al peso. Por lo que esta fuerza de levantamiento en un cohete es utilizada para controlar la dirección y estabilidad del vuelo.

LEY DE LA CONSERVACIÓN DEL MOMENTUM

Los cohetes reales y los cohetes de agua funcionan según los mismos principios de vuelo, algunos de estos conceptos aplicados refieren. La ley de la conservación del momentum de un cuerpo se define básicamente en la física clásica, como el producto de su velocidad y su masa.

Cuando dos objetos colisionan, la suma de su momentum en el sistema después de la colisión es igual al del antes de la colisión, suponiendo que ninguna fuerza externa es aplicada al sistema. Este principio es llamado la ley de conservación del momentum. En la física clásica, el momentum de un cuerpo es definido como el producto de su velocidad y su masa. Cuando dos objetos colisionan, la suma de

su momentum en el sistema después de la colisión es igual al del antes de la colisión, suponiendo que ninguna fuerza externa es aplicada al sistema. Este principio es llamado la ley de conservación del momentum. EL cohete se mueve hacia adelante para compensar el momentum del combustible que ha sido expulsado.

El momentum es igual a la masa por la velocidad, la velocidad del cohete antes de lanzar el combustible en este caso el combustible seria el agua. El cohete se mueve hacia adelante para compensar el momentum del combustible que ha sido expulsado. Un cohete en reposo tiene cierta masa MASA=M+m donde “m” es la masa del cuerpo cohete y “m” es la masa del combustible. La dirección del combustible expulsado es opuesta a la dirección hacia la cual se mueve el cohete.

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, fuerza de reacción (fuerza de la acción – reacción; repulsión).

PRESION

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.

En nuestro caso la cámara de presión, motor del cohete, es generalmente una botella de plástico. El agua es lanzada fuera por un gas a presión, normalmente aire comprimido, lo que impulsa el cohete según la 3ª ley de Newton.

ROZAMIENTO

El 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. Se puede considerar como fricción aerodinámica en la medida en que depende de las propiedades tanto del fluido en dónde se mueve el cuerpo y del cuerpo mismo.

El rozamiento es a la vez una resistencia aerodinámica en la medida en que varía dependiendo de la forma del cuerpo en movimiento ya que de este dependen las variaciones de la presión en el medio.

TIRO PARABÓLICO

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. Este movimiento lo observaremos cuando sea lanzado el cohete y su trayectoria trace una parábola.

CAÍDA LIBRE

Esta definición formal excluye a todas las caídas reales influenciadas en mayor o menor medida por la resistencia aerodinámica del aire, así como cualquier otra que tenga lugar en el seno de un fluido Movimiento que será observado al caer el cohete de agua.

ENERGIA CINETICA

La energía cinética de un cuerpo es una energía que surge en el fenómeno del movimiento. Está definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde el reposo hasta la velocidad que posee. Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su rapidez. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía cinética.)

PRINCIPIO DE PASCAL

En física, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623–1662) que se resume en la frase: la presión 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.

La ley de pascal se aplica ejerciendo la presión entre el agua y el aire dentro del cohete, es decir, al llenar el cohete de aire y comprimirlo estamos aumentando la presión en su interior, y cuando esta llega a un punto determinado donde el corcho saldrá y el líquido es desplazado al suelo.

¿Cuál es la diferencia de lanzar el cohete con agua y sin agua?

La diferencia que hay es que si lanzamos el cohete con agua el alcanzara una altura adecuada mientras que si lanzamos el cohete sin agua este no volara tanto ya que el agua es un factor importante para el vuelo.

PRESION HIDROSTATICA

Se describe como presión al acto y resultado de comprimir, estrujar o apretar; a la coacción que se puede ejercer sobre un sujeto o conjunto; o la magnitud física que permite expresar el poder o fuerza que se ejerce sobre un elemento o cuerpo en una cierta unidad de superficie.

CAUDAL

En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que circula a través de una sección del ducto (tubería, cañería, oleoducto, río, canal,…) por unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

5. ELABORACION DEL PROYECTO

Los materiales utilizados y requeridos para el diseño y construcción del cohete hidráulico fueron:

MATERIALES

2 botellas de 600 ml Radiografías (para las aletas) Regla Cinta transparente ancha Tijeras PEGADIT Bisturí Tapa de botella “vive 100”

5.1. Procedimiento del proyecto paso a paso 1) Cogemos una de las botellas de 600 ml le realizamos un corte superior para

así poderla introducir en la segunda botella como nos muestra la imagen.

2) Realizado el corte se pega a la parte inferior de la segunda botella con cinta transparente ancha.

3) Para la punta del cohete utilice una tapa de vive 100 como nos muestra la foto.

4) Para realizar los alerones se utilizó radiografías ya que es un material muy resistente a los golpes, de allí se crearon de una forma que tuvieran buena aerodinámica.

5) Después de realizar los alerones se pega a la botella con PEGADIT y cinta transparente.

6) Evidencia de la construcción y elaboración del cohete.

7) Al final de todo esto se le coloca la válvula de referencia TR 415 ya que es un componente fundamental, el cual nos permite el ingreso de aire y la retención del mismo y así poner en funcionamiento nuestro proyecto.

6. PRUEBAS DE LANZAMIENTO REALIZADAS

Con la información que se obtuvo a lo largo del semestre comencé a seguir las pautas para el inicio del lanzamiento. A continuación describo el procedimiento realizado:

Toma de distancia de lanzamiento referencia mitad de cancha de baloncesto.

Medición de cantidad de agua. Toma de lectura de grado de inclinación. Toma de lectura de pedalazos de presión aplicada a la botella.

Estos aspectos fueron importantes en la generación del lanzamiento los cuales los represente así;

LANZAMIENTOS DE PRUEBA COHETE

  lanzamiento #1Grados 45ºbombazos 15Agua 25 mml Distancia Paso la mitad de

cancha

  lanzamiento #2Grados 40ºbombazos 20Agua 22 mml Distancia 22 m aprox.

  lanzamiento #3Grados 35ºbombazos 8Agua 20 mml Distancia 12 m aprox.

  lanzamiento #4Grados 30ºbombazos 16Agua 18 mml Distancia salió de cancha

Dentro de los cuatro ensayos de prueba que realiza y varios mas no pude obtener llegar al sitio deseado; de allí pude observar que la cantidad de agua y la presión que se le ejerce juegan un rol muy importante para este proceso.

7. PRESENTACIÓN FINAL DEL COHETE

El 19 de mayo del 2015 se realizó la presentación final del cohete; antes de que comenzara el concurso ejecute tres ensayos los cuales me con llevaron a concluir que:

Después de todo esto se empieza el concurso para determinar el ganador final mediante las fases de clasificación.

Finalmente se comienzan a realizar los tres lanzamientos del cohete en los cuales se tenía que obtener 90 puntos para clasificar a la siguiente fase.

Mediante los tres lanzamientos requeridos se obtuvieron los siguientes resultados finales:

  lanzamiento #1

Grados 35º

lanzamiento # 1

Grados 30ºBombazos 10Agua 22 mml Distancia 15 m aproximado  lanzamiento # 2Grados 35ºBombazos 16Agua 27 mml Distancia 18 m aproximado

  lanzamiento #3Grados 30ºBombazos 8Agua 20 mml Distancia aprox. 10 m

bombazos 16

Agua 20 mml

Distancia paso Los limites requeridos

Puntos 0

8. CONCLUSIONES

Mediante el desarrollo del proyecto pudimos comprobar la aplicación de la física y los temas vistos durante el semestre con el objetivo de realizar un análisis y cálculos con variables presentes en el medio ambiente que influyeron para la generación de un tiro parabólico.

Podemos concluir que en la fabricación del cohete hidráulico el principio fundamental, es que vuele por medio de la presión y el agua, dependiendo del peso y su estructura; la medición exacta del agua es un factor principal el cual influye al introducir el aire por medio de la bomba es por ello que no se pudo cumplir el objetivo propuesto en cuanto al desplazamiento entre los limites requeridos.

  lanzamiento # 2Grados 35ºbombazos 19Agua 30 mml

Distancia paso los límites requeridos

Puntos 0  lanzamiento #3Grados 35ºbombazos 18Agua 20 mml

Distancia Paso los limites requeridos

Puntos 0

9. BIBLIOGRAFÍAS

http://www.astroeduc.com.ar/COHETES%20PROPULSADOS%20POR%20AGUA%20ISFN.pdf

https://2mp.conae.gov.ar/descargas/Materiales%20/Cohetes_de_Agua- Manual_del_Educador.pdf

https://www.youtube.com/watch?v=a_N2l-GwS3A