PROYECTO COHETE HIDRAULICO

JHONATAN ANDRES SANCHEZ PEÑA

COD 18810

MIGUEL ANGEL SOTELO SOTELO

COD 21044

FISICA TERMODINAMICA

GRUPO: 18N

JAVIER BOBADILLA

UNIECCI

BOGOTA DC

2014

TABLA DE CONTENIDO

1. introducción………………………………………………………………………1 1.1Objetivo general…………………………………………………………........11.2 Objetivos específicos………………………………………………………...11.3 marco teórico…………………………………………………………………1

2. Antecedentes………………………………………………………………………2

INTRODUCCION

Este trabajo surge de la necesidad de experimentar para recordar, aprender y poner a prueba todo lo relacionado con COHETERIA HIDRAULICA ya que la física es una ciencia natural que se encarga del estudio de muchos fenómenos y fuerzas que actúan en determinado cuerpo existente en el espacio, es así como a través de este experimento podemos analizar algunos de ellos como son: el tiempo, la velocidad, la altura y el espacio recorrido por un cuerpo.

Resulta de gran importancia temas como estos en el progreso no sólo de la materia, sino también de los estudiantes, porque permiten realizar trabajos prácticos, como los son las actividades de laboratorio, y teóricos, como el informe que a continuación presentamos.

1. OBJETIVOS

1.1 Objetivo general

Fabricar y diseñar un sistema que funcione como cohete mediante la utilización de agua líquida como propulsor y diferentes materiales de fácil acceso, con la meta de logar evidenciar en campo los principios físicos vistos hasta ahora.

1.2 Objetivos específicos

Comprobar y comprender la funcionalidad según el principio de pascal

Verificar mediante su desplazamiento los principios aerodinámicos Evidenciar los movimientos armónicos de movimiento simple Poner en marcha nuestro ingenio para la elaboración del cohete

hidráulico con materiales netamente reciclables

1.3 Marco teórico

¿Que es un cohete hidráulico?

La propulsión de un cohete de agua es la ley de la conservación de la cantidad de movimiento, que es otra forma de llamar a la 3ª ley de Newton o principio de acción-reacción. 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:

dp--- = 0dt

De esta ley, con los oportunos pasos matemáticos y sustituciones, se deriva la ecuación del cohete de Tsiolskovski:

m0v = vuln 

Donde v es la velocidad instantánea, vu la velocidad de salida del fluido por la boca, m0 la masa total inicial y m la masa en cada momento.

La propulsión del cohete de agua puede esquematizarse como un sistema en el cual se va a producir la expulsión hacia atrás de una parte de su masa (el agua) lo que provocará un empuje que propulsará al resto del sistema hacia delante (acción-reacción), compensándose la cantidad de movimiento total del sistema. La energía mecánica necesaria para la expulsión de esta fracción de masa se almacena en el sistema como energía potencial en forma de gas a presión. Con la expulsión esta energía se irá convirtiendo en energía cinética, las del movimiento del agua y el cohete.

Por lo general, la materia se clasifica perteneciente a uno de tres estados: sólido, líquido o gas. Por la experiencia cotidiana se sabe que un solido tiene un volumen y forma definidos, un liquido tiene un volumen definido mas no forma definida, y un gas no confinado no tiene ni volumen definido ni forma definida. Dichas descripciones ayudan a representar los estados de la materia, pero son un poco artificiales. Por ejemplo, el asfalto y los plásticos normalmente se consideran solidos, pero durante intervalos de tiempo prolongados tienden a fluir como líquidos. Del mismo modo, la mayoría de la sustancias pueden ser solido, liquido o gas (o una combinación de cualquiera de estos tres), dependiendo de la

temperatura y la presión. En general, el intervalo de tiempo requerido para que una sustancia particular cambie su forma en respuesta a una fuerza externa determina si se trata la sustancia como solido, líquido o gas.Un fluido es un conjunto de moléculas que se ordenan aleatoriamente y se mantienen juntas a partir de fuerzas cohesivas débiles y fuerzas que ejercen las paredes de un contenedor.

Tanto líquidos como gases son fluidos.En el tratamiento de la mecánica de fluidos se aplicaran principios que ya se discutieron.

Primero, se considera la mecánica de un fluido en reposo, es decir, estática de fluidos, y después se estudian los fluidos en movimiento, dinámica de fluidos.

Para tener una idealización mas concreta hay que tener unos conceptos básicos para analizar los fenómenos que actúan dentro y fuera del cohete para así tener un excelente despegue y aterrizaje, estos fundamentos son:

PRINCIPIO DE PASCAL

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 sobre un fluido poco compresible 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 puede comprobarse utilizando una esfera hueca, perforada en diferentes lugares y provista de un émbolo. Al llenar la esfera con agua y ejercer presión sobre ella mediante el émbolo, se observa que el agua sale por todos los agujeros con la misma velocidad y por lo tanto con la misma presión.

LEYES DE NEWTON

Nuestro cohete además está sometido a las tres leyes o principios de Newton:

Según la PRIMERA LEY DE NEWTON, si no existen fuerzas externas que actúen sobre un cuerpo, éste permanecerá en reposo o se moverá con una velocidad constante en línea recta.

El movimiento termina cuando fuerzas externas de fricción actúan sobre la superficie del cuerpo hasta que se detiene. Cuando se presenta un cambio en el movimiento de un cuerpo, éste presenta un nivel de resistencia denominado INERCIA. Por tanto, a la primera ley de Newton también se le conoce como ley de la inercia.

La SEGUNDA LEY DE NEWTON determina que si se aplica una fuerza a un cuerpo, éste se acelera. La aceleración se produce en la misma dirección que la fuerza aplicada y es inversamente proporcional a la masa del cuerpo que se

mueve. Si la masa de los cuerpos es constante, la fórmula que expresa la segunda ley de Newton es: fuerza = masa x aceleración.

En cambio cuando la masa del cuerpo aumenta o disminuye (cohete), la aceleración disminuye o aumenta. Entonces, debes establecer la cantidad de movimiento (p) que equivale al producto de la masa de un cuerpo por su velocidad. Es decir: p = m x v.

La TERCERA LEY DE NEWTON 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.

AERODINÁMICA

Las fuerzas aerodinámicas que produce en su movimiento el cohete se pueden simplificar en dos: sustentación y arrastre.

Para mejorar el vuelo, se debe producir la sustentación sin incrementar demasiado el arrastre. El Centro de Presiones (CP) es el lugar donde se concentran todas las fuerzas aerodinámicas normales que actúan sobre un modelo de cohete durante su vuelo. Es decir, es el punto donde actúa la “Fuerza Normal” resultante de todas las fuerzas de presión que ejerce el aire sobre la superficie del modelo. La ubicación de éste punto puede variar dependiendo de la forma del modelo. El Centro de gravedad (CG) es el lugar donde se concentra todo el peso del cohete. Es decir, hay tanto peso distribuido delante del CG del cohete, como detrás de él. La ubicación de éste punto varía durante el vuelo del modelo, ya que conforme el

motor va consumiendo su propelente el reparto del peso en todo el modelo va cambiando.

El Margen de estabilidad de un cohete es la distancia existente entre el CP y el CG. Por convención, la distancia mínima para considerarla como Margen de estabilidad, es una separación entre el CP y el CG igual al mayor diámetro del cuerpo del cohete. A esta distancia mínima se la conoce como calibre. – 4 –

Regla de estabilidad en un modelo de cohete.

“Un modelo de cohete será estable siempre que su Centro de Presiones (CP) esté situado por detrás de su Centro de Gravedad (CG)”. En un cohete el CP debe estar situado hacia la cola, mientras que el CG estará situado hacia el cono.

TIRO PARABOLICO:

El movimiento parabólico completo se puede considerar como la composición de un avance horizontal rectilíneo uniforme y un lanzamiento vertical hacia arriba, que

es un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado hacia abajo (MRUA) por la acción de la gravedad

.

En condiciones ideales de resistencia al avance nulo y campo gravitatorio uniforme, lo anterior implica que:

1. Un cuerpo que se deja caer libremente y otro que es lanzado horizontalmente desde la misma altura tardan lo mismo en llegar al suelo.

2. La independencia de la masa en la caída libre y el lanzamiento vertical es igual de válida en los movimientos parabólicos.

3. Un cuerpo lanzado verticalmente hacia arriba y otro parabólicamente completo que alcance la misma altura tarda lo mismo en caer.

ANTECEDENTES

Comparando en proyectos leídos en la web se evidencia que el mayor problema para el buen desempeño del cohete parte de la mala elaboración de los alerones, realizándolos de forma incorrecta y colocándolos en posiciones imparciales en el conjunto de la botella plástica.

Otra falla muy importante que se evidencio en uno de los proyectos, (cohete hidráulico, José David Puentes Peña, universidad libre). Es el peso de la punta, ya que de este depende el ascenso del cohete y el descenso del mismo, nombrando el, como algo importante durante la elaboración del mismo y diciendo que hay que darle importancia a este conjunto del cohete ya que es el encargado de el aterrizaje del mismo. Es una falencia que se evidencia principalmente y a la que quizás no se le da la suficiente importancia.

Menciona el señor (Juan Camilo Arias de la universidad Los libertadores) los antecedentes de “cohetes hidráulicos”, nombra como parte importante la disposición de la base del cohete, dejando una buena estructura en la cual el cohete se acomode fácil y cómodamente, para que no hallan imprevistos al momento de realizar el despegue del mismo. Mencionan los grados de despegue, dejando diferentes parámetros de inclinación, para así lograr hacer mas pruebas experimentando con la cantidad de agua, la presión utilizada y los grados de inclinación, así llegando mas acertadamente a la distancia requerida para dicho cohete.

En la construcción del cohete la mayor prioridad y defectos es la elaboración de los alerones y la deficiencia en la punta, ya que de estos factores depende la aerodinámica en el despegue, el trayecto y la aterrizada, también a su vez el aire ambiental entra en juego importante porque también dependemos de ella ya que gracias a ella tendremos una mejor trayectoria de elevación y equilibrio al punto deseado

En los alerones una de sus deficiencias es en el tamaño porque si se hacen muy grandes pueda que en su trayecto no quede constante si no pueda que vuele en varias direcciones por eso dependiendo del diámetro de la base y el largo de la base se hará el alerón

Los cohetes de agua en la actualidad

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

ciencias, etc.se organizan actividades de construcción de cohetes de agua; se encuentran a la venta diversos modelos de cohetes de agua para armar. En Europa los modelos de cohetes para armar han sido más populares que los cohetes de agua. Sin embargo, estos últimos tienen una larga tradición en varios países tales como Inglaterra, Francia y Escocia.En 2001,por ejemplo, Inglaterra inició una competición llamada “Water Rocket Challenge“.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 losdeportes.En muchos países de Asia, entre ellos China, Corea, Filipinas, Indonesia, Sri Lanka, Viet Nam, 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.

Cohetes de agua para aplicaciones

A lo largo de los años se han concebido y propuesto variadas formas de cohetes de agua para distintos propósitos. El tipo de cohete más simple y básico utiliza una o dos botellas de PET para hacer el cuerpo, que luego se carga con agua y aire. Para un resultado de vuelo significativamente mejorada, predominan dos diseños más importantes: cohetes agrupados consistentes enun atado de muchas botellas de PET que expelen su agua simultáneamente; y cohetes multi-etapa que comprenden dos, tres o hasta más cohetes colocados uno encima del otro. En los mecanismos se ha incorporado mucho ingenio y conocimientos prácticos, lo que permite que múltiples cohetes funcionen uno tras otro. Algunos cohetes han sido adaptados para que transporten diversas cargasútiles, tales como uno que lleva una cámara para fotografía aérea y otro cargado con un paracaídas para asegurar su recuperación después del vuelo. Se han concebido y perfeccionado varios tipos de interruptor, por ejemplo los diseñados para permitir que la cámara tome una ráfaga de fotos cuando el cohete llega a su apogeo y otros que despliegan el paracaídas sin fallar.

Justificación del proyecto

Para dicho proyecto vamos a utilizar una botella de agua H2O, parcialemnte llena de agua, con un promedio entre agua y aire para lograr un desplazamiento apropiado y asi lograr el objetivo principal del profesor, que es demostrar mediante una manera practica la tercera ley de newton, el principio de pascal y otros fenómenos descritos anteriormente que se ven en dicho componente..

Un cohete es básicamente una máquina voladora autopropulsada que se mueve siguiendo las leyes básicas de la física. La diferencia entre este y un avión radica fundamentalmente en que no se apoya en el medio para propulsarse, o sea que puede viajar en el vacío.

Existen cuatro fuerzas básicas que predominan en el cohete:

El peso (weight): es la fuerza 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 (CG). El empuje (thrust): es la fuerza que impulsa hacia arriba y genera el movimiento principal del cohete. Se genera por la salida de masa desde un extremo a alta velocidad cumpliendo el principio de acción y reacción. La sustentación aerodinámica (lift): se produce por la acción de las superficies de sustentación cuando el cohete se desplaza.

La resistencia aerodinámica (drag): es generada por el rozamiento del cuerpo del cohete con el aire, y se opone al movimiento vertical.

Procedimiento para realizar el cohete:

Para realizar dicho cohete necesitamos:

Dos botellas de agua H2O de 600ml Una tabla de 40x25cm Una tabla de 30x15cm 2 palos cuadrados de 15cm de altura 2 palos cuadrados de 30cm de altura Un corcho de botella de vino Una válvula sellomatic Una bomba de aire} Agua

5 balines de 200 gramos

Pruebas:

# de prueba Cantidad de agua presión distancia

1 0 onzas 8 bombazos 35 mts aprox

2 4 onzas 5 bombazos 25 mts aprox

3 6 onzas 5 bombazos 18 mts aprox

4 8 onzas 4 bombazos 16,5 mts aprox

5 10 onzas 4 bombazos 14.8 mts aprox

Ya que nuestra base la hicimos con un único grado de inclinación, nos enfocamos principalmente en numero de bombazos aplicado, como utilizamos un corcho, cuando la botella llegaba o alcanzaba su presión máxima, salía expulsado. La inclinación de la base la manejamos con 60 grados de inclinación.

Una desventaja de nuestro cohete fue que no logramos o mejor, no tuvimos en cuenta poder controlar la presión aplicada a la botella, fue una perdida de precisión, porque no teníamos un control exacto de la presión aplicada y la distancia recorrida nos podía variar.

En nuestro cohete manejamos unas pesas en la parte de la punta para mejorar la caída del mismo, esto fue una gran ventaja ya que el cohete al llegar a cierto parámetro de altura, por las pesas acondicionadas en la punta, descendía de punta lo cual ayudaba a la precisión de la caída, y la efectividad del mismo. Otro factor muy importante fue la construcción de los alerones, los hicimos con carpetas de presentación plástica, reforzados con una capa de cinta aislante, en forma de triangulo rectángulo con una pequeña parte recta atrás, colocados en la parte de atrás de la botella a 90 grados de distancia uno del otro.

Evidencias:

Conclusiones:

Algo muy importante fue que logramos reconocer los diferentes fenómenos fiscos que se evidencian en este tipo de experimento, ya que se juega con la diferencia entre presion hidráulica y presion neumática, movimiento parabólico y las leyes de newton.

fue interesante trabajar este tipo de proyecto ya que se vio mas prácticamente los principios básicos de fuerza hidráulica y demás fenómenos vistos anteriormente.

Se trabajo nescesariamente con elementos reciclables, lo cual fue interesante ya que estamos siendo amables con el medio ambiente.

Despertó nuestro instinto de curiosidad, de querer ser muy precisos en el trabajo realizado, algo muy bueno por recalcar emn este tipo de proyectos.

Bibliografía:

Pagina 389-385 libro FISICA PARA CIENCIAS E INGENIERIA volumen 1 séptima edición

Pagina 137-142 libro FISICA PARA CIENCIAS E INGENIERIA volumen 1 séptima edición

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

http://es.slideshare.net/GloriazJimenez/informe-final-cohete-21925189 http://es.wikipedia.org/wiki/Leyes_de_Newton http://thales.cica.es/rd/Recursos/rd98/Fisica/02/leyes.html