COHETE HIDRÁULICO DE PRECISIÓN

Presentador Por:

Nohemí Viviana Rodríguez Valero

Diana Yazmin Rojas Martín

Juan Carlos Peña Prieto

Área: Física De Fluidos Y Termodinámica

Grupo: 6M

Presentado A: Lic. Javier Bobadilla

Escuela Colombiana De Carreras Industriales UNIECCI

Tecnología En Gestión De Procesos Industriales

Bogotá D.C.

OBJETIVOS

Objetivo General.

Diseñar y construir un cohete hidráulico de precisión, impulsado a chorro usando como elemento propulsor el agua; con el fin de comprender los conceptos científicos de la física tales como: el principio de acción y reacción (tercera ley de Newton), y las leyes del movimiento.

Objetivos Específicos.

Diseñar y construir un cohete hidráulico de precisión, utilizando materiales sencillos y de bajo costo.

Aplicar el principio de pascal como parámetro para la construcción y el funcionamiento del cohete hidráulico de precisión.

Verificar experimentalmente la aplicación de la tercera ley de Newton, la cual dice “Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria”.

Lograr que el cohete hidráulico, tenga una precisión y vuele a una altura necesaria para que caiga en un punto exacto, y así poder ganar el concurso.

Evidenciar y comprender mediante el uso de un cohete hidráulico de precisión, algunos principios físicos tales como: ley de pascal, tercera ley de Newton, tiro parabólico, y caída libre.

Aplicar los conocimientos adquiridos durante el semestre cursado. Mostrar la ciencia desde un punto de vista reactivo.

ANTECEDENTES

Los cohetes espaciales se utilizan generalmente en la docencia de física con fines educativos, como ejemplos para demostrar principios teóricos a situación real.

Un cohete de agua se puede construir con algo tan simple como una botella de plástico en la que se ajusta una válvula de bicicleta. En el interior se introduce agua y aire a presión, el aire sube hasta la parte superior debido a su menor densidad, de tal forma que no podrá salir al exterior hasta que se haya expulsado todo el volumen de agua. Por tanto, al abrir el tapón se produce la salida de un chorro de agua por la boquilla debido a la presión del aire comprimido. Este chorro origina un incremento significativo de la velocidad de la botella por el principio de acción y reacción, lo que hace que pueda ser propulsada a gran distancia o altura.

Los cohetes de agua presentan algunas ventajas evidentes sobre las maquetas propulsadas mediante combustión: son más seguros, muy baratos y fáciles de construir y de ensayar.

Todas estas características hacen que los cohetes de agua sean muy atractivos a distintos niveles educativos desde un punto de vista pedagógico.

I. a) Nombre del proyecto: Proyecto – ( Cohete de agua)b) Integrantes: Edgar Leonardo Velásquez, Cristian Ramírezc) Objetivo: Es realizar con nuestros conocimientos y los aportes del docente al

trayecto del materia y diferentes estudios aprender de una manera práctica y didáctica la fabricación a partir de la física de distintas fórmulas la propulsión del cohete de agua para así aumentar nuestras competencias ingenieros teórico prácticos.

d) Conclusión: Por medio de la práctica en este caso por medio del cohete de agua se analizó y se apreció las leyes que rigen el mundo y la capacidad de inventiva que tenemos.

e) Como lo hicieron: Se realizara con el conocimiento adquirido en el transcurso de la Ingeniería. Proporcionaremos al lector textos informativos, planos en 2D y 3D, videos tutoriales y cualquier otro medio para dar a conocer las ideas propuestas en la elaboración del cohete. Por el momento mostraremos esquemas los cuales nos facilitaran la visualización del como quedara nuestro cohete ya culminado y un video el cual nos muestra las capacidades del mismo. El cohete se realizó como se tenía contemplado, y su funcionamiento fue de gran capacidad y satisfacción.

II. a) Nombre del proyecto: Proyecto cohete hidráulicob) Integrantes: http://carito19gato.wordpress.com/proyecto-cohete-hidraulico/c) Objetivo: Construir un cohete propulsado por agua para comprender el

funcionamiento de varios principios físicos tales como: El principio de pascal, El principio de acción o reacción (tercera ley de newton), Leyes de movimiento, Aerodinámica.

d) Conclusión: Logramos darle el uso y manejo adecuado a los materiales, ya que se logró el objetivo principal que consistía en hacer volar el cohete utilizando los conocimientos físicos en hidráulica y aerodinámica; a pesar que no alcanzamos a completar el puntaje necesario para ganar la competencia.

e) Como lo hicieron:

III. a) Nombre del proyecto: Cohete Hidráulico b) Integrantes: http://lnewton20.wordpress.com/proyecto-semestre-y-ecaes/c) Objetivo: Fabricar un cohete hidráulico con herramientas caseras donde se

pondrán a prueba la imaginación y creatividad del estudiante. Comprender y aplicar en la fabricación del cohete principios básicos

como:1. El principio de Pascal.2. El principio de acción o reacción (3ª ley de Newton).3. Leyes de movimiento como el tiro parabólico.4. Caída libre con rozamiento.5. Aerodinámica.

d) Conclusiones: Se presentaron fallas físicas en la estructura del cohete debido a que no se utilizó la suficiente silicona lo que produjo el desprendimiento de un ala del cohete adicional mente la terminal de la bomba se rompió reduciendo su eficiencia ya que debíamos bombear más veces el cohete lo que también causo que perdiéramos el cálculo de la presión.Considero que la ciencia y la tecnología es muy importante impartirla a través de una forma diferente didáctica porque así el estudiante aprenderá con mayor motivación y en forma entretenida, es por eso que debemos desarrollar las capacidades científicas innovando, tomando en cuenta la creatividad, la indagación, la investigación y lo más importante el trabajo en equipo. Aunque le resultado no fue el esperado fue una forma muy divertida de aprender.

e) Como lo hicieron: Se construirá el cohete con una botella de plástico, que servirá de tanque con su boca colocada hacia abajo haciendo las veces de tobera, y se rellena de agua en su mayor parte. Entonces se colocará un tapón con una válvula que permita la introducción del aire a presión, por medio de un inflador de bicicletas o un compresor de aire. La colocación del tapón tiene que hacerse de forma que sea lo suficientemente resistente para resistir cierta presión, pero

que sea capaz de soltarse antes de que la presión interna pueda reventar las paredes de plástico de la botella o que tenga un sencillo mecanismo que permita quitarlo, a distancia.Fabricación del Cohete:Materiales básicos:Botella de agua 600 mlVálvulaBomba de aireCartónMateriales complementarios:Pistola de siliconaPegamento industrialGrasaBisturí

MARCO TEÓRICO

PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES.

Todo cuerpo sumergido total o parcial en un fluido experimenta una perdida aparente de peso debido a una fuerza vertical ascendente llamada empuje que es proporcional al peso del volumen del fluido desalojado.

Empuje:

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.

Siendo el empuje el resultado del impulso de reacción creado que mueve el cohete, se dice que la razón entre tal empuje producido y el peso total o masa inicia (Mi) del cohete viene dada por el cociente entre ambos y es una de las relaciones más importantes que define al cohete:

E/Mi

La magnitud del empuje depende de estas circunstancias: la relación existente entre la masa y tiempo de combustión de los pros pulsantes por la velocidad de los gases expelidos por la tobera, o sea Kg de propulsaste inyectados por segundo por la velocidad de exhaustación. El empuje es influido además por la razón que hay entre el peso total del cohete y al carga útil. La fórmula que lo define en razón al gasto de propulsaste (Mq), velocidad de escape de los gases

(Vg), área del cuello de la tobera(Sc) y diferencia de presiones de salida del gas (Ps) y de la atmósfera (Pa) es:

E=(MqxVg)+[Scx(Ps-Pa)]

PRINCIPIO DE PASCAL.

Cuando al interior de un recipiente en el cual se tiene confinado un líquido se aumenta la presión en un punto dicha presión se distribuirá con la misma magnitud en todas direcciones.

La presión ejercida en cualquier lugar de un fluido encerrado e incompresible se transmite por igual en todas las direcciones en todo el fluido, es decir, la presión en todo el fluido es constante.

La presión en todo el fluido es constante: esta frase que resume de forma tan breve y concisa la ley de Pascal da por supuesto que el fluido está encerrado en algún recipiente, que el fluido es incompresible. 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 presión.

LEY DE ACCIÓN Y REACCIÓN. TERCERA LEY DE NEWTON.

Las fuerzas actúan siempre por pares si un objeto A ejerce una fuerza sobre un objeto B, este ejerce sobre A una fuerza igual y en sentido contrario.

El cohete de agua se basa en el principio de acción y reacción. Es necesario expulsar agua violentamente de un espacio cerrado. Se debe expulsar a cierta dirección, esto produce el desplazamiento del cohete en la misma dirección pero en sentido opuesto a la expulsión de agua.

En este caso, la materia que se expulsa es el agua y el medio para expulsarlo es el aire bajo presión contenido en una botella de plástico de 600ml.

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 supuesto0. 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.

TIRO PARABÓLICO.

El tiro parabólico es un movimiento que resulta de la unión de dos movimientos: El movimiento rectilíneo uniforme (componentes horizontales) y, el movimiento vertical (componente vertical) que se efectúa por la gravedad y el resultado de este movimiento es una parábola.

El tiro parabólico, es la resultante de la suma vectorial de un movimiento horizontal uniforme y de un movimiento vertical rectilíneo uniformemente variado. El tiro parabólico es de dos clases: a) tiro horizontal y, b) tiro oblicuo

a) Tiro Horizontal: Se caracteriza por la trayectoria curva que sigue un cuerpo al ser lanzado horizontalmente al vació. el resultado de dos movimientos independientes: un movimiento horizontal con velocidad constante y un movimiento vertical que se inicia con una velocidad 0 y va aumentando, en proporción de otro cuerpo que se dejara caer del mismo punto en el mismo instante.

b) Tiro Oblicuo: Se caracteriza por la trayectoria que sigue un cuerpo, cuando es lanzado a una velocidad inicial que forma un ángulo 𝜃 con el eje horizontal.

Leyes del movimiento como el 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.

Para analizar el movimiento de proyectiles o tiro parabólico, tenemos que partir de un modelo ideal en el cual se representa al proyectil como una partícula con aceleración constante en magnitud y dirección. Esta aceleración no es otra que la de la gravedad.

CAÍDA LIBRE.

El movimiento de los cuerpos en caída libre (por la acción de su propio peso) es una forma de rectilíneo uniformemente acelerado.

La distancia recorrida (d) se mide sobre la vertical y corresponde, por tanto, a una altura que se representa por la letra h.

En el vacío el movimiento de caída es de aceleración constante, siendo dicha aceleración la misma para todos los cuerpos, independientemente de cuales sean su forma y su peso.

La presencia de aire frena ese movimiento de caída y la aceleración pasa a depender entonces de la forma del cuerpo. No obstante, para cuerpos aproximadamente esféricos, la influencia del medio sobre el movimiento puede despreciarse y tratarse, en una primera aproximación, como si fuera de caída libre.

La aceleración en los movimientos de caída libre, conocida como aceleración de la gravedad, se representa por la letra g y toma un valor aproximado de 9,81 m/s2 (algunos usan solo el valor 9,8 o redondean en 10).

Si el movimiento considerado es de descenso o de caída, el valor de g resulta positivo como corresponde a una auténtica aceleración. Si, por el contrario, es de ascenso en vertical el valor de g se considera negativo, pues se trata, en tal caso, de un movimiento decelerado.

PRINCIPIOS AERODINÁMICOS

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 (de esta última forma se prueban en los túneles de viento prototipos de aviones).

TEOREMA DE BERNOULLI

Daniel Bernoulli comprobó experimentalmente que "la presión interna de un fluido (líquido o gas) decrece en la medida que la velocidad del fluido se incrementa", o dicho de otra

forma "en un fluido en movimiento, la suma de la presión y la velocidad en un punto cualquiera permanece constante", es decir que p + v = k.

Para que se mantenga esta constante k, si una partícula aumenta su velocidad v será a costa de disminuir su presión p, y a la inversa.

AUMENTAR LA VELOCIDAD DEL AGUA QUE ESTÁ SIENDO EXPULSADO

Las medidas para mejorar el rendimiento del empuje en cohetes de agua son básicamente las mismas que las aplicadas a los cohetes reales. En el caso de un cohete de agua, su capacidad para alcanzar distancias mayores depende de que haya alcanzado una velocidad suficientemente elevada cuando se agote su “combustible” (agua y aire presurizado). La velocidad del cohete se puede aumentar de tres maneras:

1. 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.

Una manera efectiva para aumentar la velocidad del gas que está siendo expulsado es reducir el peso molecular del gas. Suponiendo que la presión dentro de la cámara de combustión es constante, mientras más bajo es el peso molecular del gas, mayor es la aceleración, permitiendo que la cámara de combustión expulse el gas a velocidades más altas. A este respecto, se sabe que los motores de cohetes que utilizan una mezcla de oxígeno líquido e hidrógeno líquido como combustible tienen un rendimiento superior, ya que la combustión de gas resultante (= vapor) tiene un peso molecular más bajo. Los pesos moleculares de los gases de combustión derivados de combustibles líquidos y combustibles sólidos del alcohol son mayores que aquellos derivados del vapor. Como tales, sus velocidades de expulsión son más bajas.

También podemos alcanzar mayores velocidades de expulsión de gas aumentando la presión durante la combustión. Sin embargo, aplicar presión excesiva podría dañar la cámara de combustión y/o las tuberías. Los materiales utilizados para la cámara y las tuberías tienen cada uno una presión máxima aceptable. Adicionalmente, el fuselaje del cohete (incluyendo el motor) tiene que ser lo más liviano posible, ya que un cuerpo

más pesado significa mayor necesidad de combustible. Hacer más pesada y fuerte la cámara de combustión no es aconsejable.

Con respecto a motores de cohetes con proponente líquido, hemos mejorado el rendimiento de su empuje empleando un sistema de bombeo turbo que utiliza la combustión de los gases para hacer girar la bomba, y mediante el empleo de un sistema de enfriamiento regenerativo diseñado para transferir de manera eficaz el calor dentro de la cámara de combustión al combustible de baja temperatura previo a la combustión.

Un dispositivo en forma de campana o “boquilla” se enrosca en el punto de salida de la cámara de combustión. La forma de la boquilla contribuye a acelerar el gas lanzado. Dentro de la cámara, el pasaje se va haciendo cada vez más angosto hacia el punto de salida, acelerando el gas de combustión hasta la velocidad del sonido. Mientras pasa a través de la boquilla, el gas se expande gradualmente y acelera más, y finalmente sale expulsado en un chorro supersónico. La función de la boquilla consiste en acelerar la velocidad del gas expulsado

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.

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.

CONSTRUCCIÓN DEL COHETE HIDRÁULICO DE PRECISIÓN

Materiales del cohete:

Dos botellas de plástico de 600 ml Válvula sello matico RT 415 Bomba de aire Aguja de inflar Cinta adhesiva Laminas delgadas de plástico flexible

COHETE TERMINADO

Practicas

Tabla de datos

0 70 50 45 3505

1015202530354045

Presión/ Volumen

Volumen (ml)

Pres

ión

(PSI

)

ANALISIS

A mayor Volumen había mayor presión.

Volumen (ml)Agua

Presión (PSI)

0 30

70 40

50 35

45 30

35 20

Distancia (mts) Presión (PSI)

7 30

39 40

34 35

31 30

14,7 20

30 40 35 30 2005

1015202530354045

Resultados distancia/presión

Presión ( PSI)

Dist

ancia

(mts

)

Volumen (ml)Agua

Presión (PSI) Distancia (mts)

0 30 7

70 40 39

50 35 34

45 30 31

35 20 14,7

ANALISIS

A mayor presión había mayor distancia

0 70 50 45 3505

1015202530354045

Volumen Presión Distancia

Presión (psi)Distancia (m)

Volumen (ml)

Análisis de los datos

Se pudo observar la variación de la presión, el volumen y la distancia. A mayor volumen y presión mayor fue la distancia que recorrió el cohete. Para llegar a la mitad de la cancha que mide aproximadamente 14,75 metros, que fue el punto del objetivo de la competencia, tuvo: volumen (agua) de 35 ml y 20 PSI de presión.

Final de la competencia

CONCLUSIONES

Se construyó un cohete hidráulico de tal manera que tuviera la capacidad para caer en un punto específico. Se utilizo una botella de 600ml, la cual se lleno con 45 ml de agua, una bomba cuya presión fue de 20 PSI. Se comprendió la tercera ley de Newton la cual nos demostró que al darle presión al cohete este tenía una reacción que le dio propulsión para volar.

La construcción y el diseño del cohete se hizo en base a materiales a bajo costo lo cual permitió que se construyeran dos. Sin embargo la bomba y la base no cumplieron con este objetivo.

Se aplicó el principio de pascal dado que se utilizo una bomba que le proporcionaba presión al interior de la botella, en la cual tenía confinada agua, la cual al aumentar la presión a través de la válvula, esta se distribuyo permitiendo el vuelo del cohete.

Se logro durante las prácticas la precisión del cohete en el límite dado por el docente. Sin embargo al momento de la competencia se evidencio el desgaste del cohete, lo cual no nos favoreció ya que no logró llegar al punto que se requería; las prácticas y los cálculos fallaron. Por otro lado no se tuvieron en cuenta las condiciones del medio ambiente, ni las posiciones que podría dar una mejor precisión y un punto donde el piso no tuviera tanto desnivel. Finalmente se hicieron prácticas pero no se hicieron estadísticas que mostraran posibles errores para así disminuir cualquier error y poder lograr los objetivos.

Se evidenció y aplicó temas vistos en física, tales como el tiro parabólico que efectuó el cohete, ya que la base del cohete se graduó a 45° lo que permitía un tiro parabólico el cual debía llegar a una distancia aproximada de 14,75 metros, el punto del objetivo. La caída libre se dio en el punto máximo de vuelo, para luego descender y caer.

Se logro consolidar los conocimientos adquiridos durante el semestre a través de este proyecto.

BIBLIOGRAFÍA

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