Cohete de agua - Water rocket
Un cohete de agua es un tipo de modelo de cohete que utiliza agua como masa de reacción . El agua es expulsada por un gas presurizado, típicamente aire comprimido . Como todos los motores de cohetes , funciona según el principio de la tercera ley de movimiento de Newton . Los aficionados a los cohetes de agua suelen utilizar una o más botellas de refresco de plástico como recipiente de presión del cohete. Es posible una variedad de diseños, incluidos cohetes de varias etapas. Los cohetes de agua también se fabrican a medida con materiales compuestos para alcanzar altitudes récord.
Operación
1) Se agrega una burbuja de aire comprimido y presuriza el contenido de la botella.
2) La botella se libera de la bomba.
3) El agua es expulsada a través de la boquilla por el aire comprimido.
4) La botella se aleja del agua porque sigue la Tercera Ley de Newton.
La botella se llena parcialmente con agua y se sella. La botella se presuriza entonces con un gas, normalmente aire comprimido desde una bomba de bicicleta , compresor de aire , o cilindro de hasta 125 psi, pero a veces CO 2 o de nitrógeno se utilizan de un cilindro.
El agua y el gas se utilizan en combinación, proporcionando el gas un medio para almacenar energía, ya que es comprimible, y el agua aumenta la fracción de masa del propulsor y proporciona una mayor fuerza cuando se expulsa de la boquilla del cohete. A veces, los aditivos se combinan con el agua para mejorar el rendimiento de diferentes formas. Por ejemplo: se puede agregar sal para aumentar la densidad de la masa de reacción dando como resultado un impulso específico más alto . El jabón también se usa a veces para crear una espuma densa en el cohete que reduce la densidad de la masa de reacción expulsada pero aumenta la duración del empuje.
A continuación, se suelta el sello de la boquilla del cohete y se produce una rápida expulsión de agua a altas velocidades hasta que se agota el propulsor y la presión del aire dentro del cohete desciende a la presión atmosférica. Hay una fuerza neta creada en el cohete de acuerdo con la tercera ley de Newton . La expulsión del agua puede hacer que el cohete salte una distancia considerable en el aire.
Además de las consideraciones aerodinámicas, la altitud y la duración del vuelo dependen del volumen de agua, la presión inicial, el tamaño de la boquilla del cohete y el peso descargado del cohete. La relación entre estos factores es compleja y se han escrito varios simuladores para explorar estos y otros factores.
A menudo, el recipiente a presión se construye a partir de una o más botellas plásticas de refresco usadas, pero también se han usado cubiertas de tubos fluorescentes de policarbonato, tubos de plástico y otros recipientes cilíndricos ligeros resistentes a la presión.
- Secuencia de imágenes de un video de alta velocidad que muestra el despegue
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Elementos
Botella
Normalmente, una sola botella de refresco carbonatado de tereftalato de polietileno (PET) sirve como recipiente a presión. Los cohetes de botellas múltiples se crean uniendo dos o más botellas de varias formas diferentes; las botellas se pueden conectar a través de sus boquillas, cortándolas y deslizando las secciones una sobre la otra, o conectándolas con la abertura al fondo, formando una cadena para aumentar el volumen . Esto agrega complejidad y el aumento de volumen conduce a un aumento de peso, pero esto debe compensarse con un aumento en la duración del empuje del cohete.
Los cohetes de varias etapas son mucho más complicados. Implican dos o más cohetes apilados uno encima del otro, diseñados para lanzarse mientras están en el aire, al igual que los cohetes de etapas múltiples que se utilizan para enviar cargas útiles al espacio.
Gas
Se utilizan varios métodos para presurizar un cohete de agua, que incluyen:
- Una bomba estándar para neumáticos de bicicleta / automóvil, capaz de alcanzar al menos 75 psi (520 kPa).
- La presión del agua obliga a que todo el aire de una manguera de agua vacía entre en el cohete. La presión es la misma que la de la tubería de agua.
- Un compresor de aire, como los que se utilizan en los talleres para alimentar equipos y herramientas neumáticos . Modificar un compresor de alta presión (superior a 15 bar / 1500 kPa / 200 psi) para que funcione como fuente de energía de un cohete de agua puede ser peligroso, al igual que el uso de gases a alta presión de cilindros.
- Gases comprimidos en botellas, como dióxido de carbono (CO 2 ), aire y gas nitrógeno (N 2 ). Los ejemplos incluyen CO 2 en cilindros de paintball y aire en cilindros industriales y de buceo. Se debe tener cuidado con los gases embotellados: a medida que el gas comprimido se expande, se enfría (consulte las leyes de los gases ) y los componentes del cohete también se enfrían. Algunos materiales, como el PVC y el ABS , pueden volverse frágiles y débiles cuando se enfrían mucho. Las mangueras de aire largas se utilizan para mantener una distancia segura, y los manómetros (conocidos como manómetros ) y las válvulas de seguridad se utilizan normalmente en las instalaciones de los lanzadores para evitar sobrepresurizar los cohetes y hacer que exploten antes de que puedan ser lanzados. Los gases altamente presurizados, como los de los cilindros de buceo o los recipientes de proveedores de gas industrial, solo deben ser utilizados por operadores capacitados, y el gas debe entregarse al cohete a través de un dispositivo regulador (por ejemplo, una primera etapa SCUBA). Todos los contenedores de gas comprimido están sujetos a las leyes locales, estatales y nacionales de la mayoría de los países y deben someterse a pruebas de seguridad periódicamente por un centro de pruebas certificado.
- Sublimación de dióxido de carbono a partir de hielo seco. El hielo seco se expande 800 veces en volumen tras la sublimación. Se inserta con fuerza un tapón de goma n. ° 3 en el cuello de una botella de plástico de dos litros parcialmente llena de agua. La presión aumenta lo suficiente como para sacar el tapón.
- Ignición de una mezcla de gases explosivos por encima del agua en la botella; la explosión crea la presión para lanzar el cohete al aire.
Boquillas
Las toberas de cohete de agua se diferencian de las toberas de cohete de combustión convencionales en que no tienen una sección divergente como en una tobera De Laval . Debido a que el agua es esencialmente incompresible, la sección divergente no contribuye a la eficiencia y, de hecho, puede empeorar el rendimiento.
Hay dos clases principales de boquillas de cohetes de agua:
- Abierto también a veces denominado "estándar" o "de paso total" con un diámetro interior de ~ 22 mm, que es la abertura estándar del cuello de la botella de refresco.
- Restringido, que es algo más pequeño que el "estándar". Una boquilla restringida popular tiene un diámetro interior de 9 mm y se la conoce como "boquilla Gardena", que lleva el nombre de un conector rápido de manguera de jardín común que se usa para fabricarlas.
El tamaño de la boquilla afecta el empuje producido por el cohete. Las boquillas de mayor diámetro proporcionan una aceleración más rápida con una fase de empuje más corta, mientras que las boquillas más pequeñas proporcionan una menor aceleración con una fase de empuje más larga.
Aletas
A medida que el nivel de propulsor en el cohete desciende, el centro de masa inicialmente se mueve hacia abajo antes de finalmente moverse hacia arriba de nuevo a medida que se agota el propulsor. Este movimiento inicial reduce la estabilidad y puede hacer que los cohetes de agua comiencen a caer de un extremo a otro, disminuyendo en gran medida la velocidad máxima y, por lo tanto, la duración del planeo (tiempo que el cohete está volando por su propio impulso).
Para bajar el centro de presión y agregar estabilidad, se pueden agregar aletas u otros estabilizadores que traen el centro de arrastre más atrás, muy por detrás del centro de masa en todo momento. Los estabilizadores de cualquier tipo se colocan normalmente cerca de la parte posterior de la botella, donde se encuentra el centro de masa. El aumento de estabilidad que dan las aletas bien diseñadas vale la pena el arrastre adicional y ayuda a maximizar la altura a la que volará el cohete.
Sistemas de aterrizaje
Las aletas estabilizadoras hacen que el cohete vuele con el morro primero, lo que dará una velocidad significativamente mayor, pero también harán que caiga con una velocidad significativamente mayor que si cayera al suelo, y esto puede dañar el cohete o quien sea o lo que sea. golpea al aterrizar.
Algunos cohetes de agua tienen paracaídas u otro sistema de recuperación para ayudar a prevenir problemas. Sin embargo, estos sistemas pueden sufrir fallos de funcionamiento. Esto a menudo se tiene en cuenta al diseñar cohetes. Se pueden utilizar parachoques de goma , zonas de deformación y prácticas de lanzamiento seguras para minimizar los daños o lesiones causados por la caída de un cohete.
Otro posible sistema de recuperación implica simplemente usar las aletas del cohete para ralentizar su descenso y, a veces, se le llama deslizamiento hacia atrás . Al aumentar el tamaño de la aleta, se genera más resistencia. Si el centro de masa se coloca delante de las aletas, el cohete se lanzará en picada. En el caso de los super-roc o cohetes de retroceso, el cohete está diseñado de tal manera que la relación entre el centro de gravedad y el centro de presión del cohete vacío hace que se contrarreste la tendencia inducida por las aletas del cohete a inclinar el morro hacia abajo. por la resistencia del aire del cuerpo largo que haría que cayera con la cola hacia abajo y que el cohete cayera de lado, lentamente.
Tubos de lanzamiento
Algunos lanzadores de cohetes de agua utilizan tubos de lanzamiento. Un tubo de lanzamiento encaja dentro de la boquilla del cohete y se extiende hacia la nariz. El tubo de lanzamiento está anclado al suelo. A medida que el cohete comienza a acelerar hacia arriba, el tubo de lanzamiento bloquea la boquilla y se expulsa muy poca agua hasta que el cohete abandona el tubo de lanzamiento. Esto permite una conversión casi perfectamente eficiente de la energía potencial en el aire comprimido en energía cinética y energía potencial gravitacional del cohete y el agua. La alta eficiencia durante la fase inicial del lanzamiento es importante, porque los motores de cohetes son menos eficientes a bajas velocidades. Por tanto, un tubo de lanzamiento aumenta significativamente la velocidad y la altura alcanzadas por el cohete. Los tubos de lanzamiento son más efectivos cuando se utilizan con cohetes largos, que pueden acomodar tubos de lanzamiento largos.
Competiciones
Water Rocket Achievement World Record Association es una asociación mundial que administra competencias por récords de altitud que involucran cohetes de agua de una y múltiples etapas, una competencia de duración de vuelo y competencias de velocidad o distancia para autos propulsados por cohetes de agua.
Se llevan a cabo muchas competiciones locales de varios tipos, que incluyen:
- En Escocia, el Oscar Swigelhoffer Trophy es una competencia Aquajet (Water Rocket) que se celebra en la Annual International Rocket Week en Largs o en las cercanías de Paisley , y está organizada por STAAR Research a través de John Bonsor. La competencia se remonta a mediados de la década de 1980, organizada por los Paisley Rocketeers que han estado activos en la cohetería amateur desde la década de 1930. El trofeo lleva el nombre del fallecido fundador de ASTRA, Oscar Swiglehoffer, quien también fue amigo personal y alumno de Hermann Oberth , uno de los padres fundadores de la cohetería. La competencia consiste en volar en equipo a distancia de cohetes de agua bajo una presión y un ángulo de vuelo acordados. Cada equipo consta de seis cohetes, que vuelan en dos vuelos. Se registra la mayor distancia para cada cohete en los dos vuelos y se recopilan las distancias finales del equipo, y el equipo ganador tiene la mayor distancia. El ganador en 2007 fue ASTRA.
- En el Reino Unido , la competencia de cohetes de agua más grande es actualmente el Desafío anual de cohetes de agua del Laboratorio Nacional de Física . La competición se abrió al público por primera vez en 2001 y está limitada a unos 60 equipos. Tiene escuelas y categorías abiertas, y es atendido por una variedad de "trabajos" y equipos privados, algunos viajando desde el extranjero. Las reglas y los objetivos de la competición varían de un año a otro.
- En Alemania , la competición de cohetes de agua más antigua y popular es la competición de cohetes de agua Freestyle-Physics. () La competencia es una parte más grande de una competencia de física para estudiantes, donde los estudiantes tienen la tarea de construir varias máquinas y participar en concursos competitivos.
- En los Estados Unidos , la Olimpiada de Ciencias también organiza un evento de cohetes de agua para los concursantes en edad de escuela primaria.
- En Pakistán se celebra cada año una competición de cohetes de agua en la Semana Mundial del Espacio por el Instituto de Formación Técnica Suparco (SITT) en la que participan diferentes escuelas de todo Pakistán.
- En Ucrania , cada año se celebra un Concurso de cohetes de agua en el Centro de Tecnología Innovadora en Educación (CITE). y participan escuelas de toda Ucrania. El diseño de los cohetes está estandarizado. El concurso promueve la recogida selectiva de residuos sólidos secos en las escuelas.
- En Rusia, Water Rocket.
Récords mundiales
El récord mundial Guinness de lanzamiento de la mayoría de los cohetes de agua lo tiene la escuela secundaria Kung Yik She cuando, el 7 de diciembre de 2013, lanzaron 1056 de ellos al mismo tiempo, junto con estudiantes de primaria en Tin Shui Wai , Hong Kong .
El récord actual de mayor altitud alcanzada por un cohete propulsado por agua y aire es de 2723 pies (830 metros), en poder de la Universidad de Ciudad del Cabo , alcanzado el 26 de agosto de 2015, superando el récord anterior de 2007 de 2044 pies (623 metros) en poder de Cohetes de agua de EE. UU. El cohete también llevaba una cámara de video como carga útil como parte de la verificación requerida por las reglas de la competencia.
Cohetes de agua caliente
Un cohete de vapor , o "cohete de agua caliente", es un cohete que utiliza agua contenida en un recipiente a presión a alta temperatura, y que genera un empuje a través de este que se libera en forma de vapor a través de una boquilla de cohete.
Ver también
Bibliografía
- D. Kagan, L. Buchholtz, L. Klein, Cohetes de agua de botella de soda, The Physics Teacher 33, 150-157 (1995)
- CJ Gommes, Un análisis más completo de los cohetes de agua: adiabats húmedos, flujos transitorios y fuerzas inerciales en una botella de refresco , American Journal of Physics 78, 236 (2010)
- A.Romanelli, I.Bove, F.González, Expansión de aire en un cohete de agua , American Journal of Physics 81, 762 (2013)
Referencias
enlaces externos
- The Water Rocket Achievement World Record Association - Asociación internacional dedicada a la construcción y operación segura de cohetes de agua y el organismo rector de todos los récords mundiales de cohetes de agua.
- Video en cámara ultra lenta del despegue de un cohete de agua