Cohetes

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COHETES PROPULSADOS

POR AGUA

DOCUMENTACIÓN DE ACTIVIDADES PARA EL CONCURSO DE

COHETERÍA DE LA COMISIÓN NACIONAL DE ACTIVIDADES

ESPACIALES

Autores:

ARTUSA, Juan Ignacio

CAMPITI, Nicolás

COMPETIELLO, Marcos

MORI RODRIGUEZ, Juan Martín

ROJAS, Silvio

SOLARES, Federico

Docente:

GONZALEZ, Pablo Martín

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“Al principio vienen necesariamente a la mente la fantasía y la fábula. Desfilan después los

cálculos matemáticos, y sólo al final la realización corona el pensamiento”

Konstantín Tsiolkovski

Introducción

La frase precedente refleja para nosotros lo que significó participar en el diseño, construcción y

lanzamiento de cohetes propulsados por agua. El trabajo es sencillo, pero la cantidad de variables que

intervienen para que el vuelo sea realmente controlado son muchas. A lo largo de este documento

plantearemos los problemas a los que nos enfrentamos y cómo intentamos resolverlos, algunos

mediante el cálculo y otros utilizando las pruebas de campo. La impresión que provoca en los alumnos

puede notarse en las palabras de Nicolás Campiti, cuando expresa “la idea que se plantea este

concurso es una idea genial, el hecho de dar a conocer una actividad como ésta, poco común pero al

alcance de todos ya es un buen inicio para un proyecto. El hacer participar a estudiantes en este tipo de

competencias fomenta el crecimiento y la curiosidad en nuevas ramas, ya que desde lo más simple en

la construcción de un cohete se tiene que ir investigando y haciendo pruebas para lograr un desarrollo

óptimo de éste. Además, brinda la posibilidad de esparcimiento para poder realizar tareas al aire libre

y con otros alumnos de otros colegios”.

Esperamos poder manifestar en este documento el trabajo y la imaginación de este grupo de alumnos

entusiastas en las ciencias espaciales.

Ing. Pablo M. González

Docente tutor

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BREVE INTRODUCCIÓN TEÓRICA

FISICA DEL VUELO

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:

Imagen cortesía de NASA

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.

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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.

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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.

CONSTRUCCIÓN DE COHETES

En su forma más simple, un cohete de agua es una botella a la cual se le introduce agua y se

presuriza mediante un inflador o compresor, para luego ser liberada a través de un

mecanismo. Pero para lograr una mejor performance, se debe mejorar el drag, poniendo

alguna ojiva, estabilizar mediante aletas, poner un contrapeso en la punta y decorar.

Nosotros adoptamos el modelo recomendado por el manual de la JAXA (Agencia Espacial

Japonesa):

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También probamos, con poco éxito, el modelo inglés, que utiliza aletas más grandes, una

ojiva hecha con una esfera y sin un faldón aerodinámico:

Propusimos tres modelos, variando el material de las aletas y la relación largo / diámetro.

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Nuestros modelos fueron construidos en el laboratorio del colegio, ya que carecemos de taller,

por ser un bachillerato. Formamos un grupo, con el que construiríamos al menos dos cohetes

para las pruebas:

AREA 21

ARTUSA, Juan Ignacio

CAMPITI, Nicolás

COMPETIELLO, Marcos

MORI RODRIGUEZ, Juan Martín

ROJAS, Silvio

SOLARES, Federico

Comenzamos cortando las botellas, los faldones y las aletas. Fue trabajoso alinearlas una vez

puesto el faldón, entonces procuramos pegarlas a 90º antes de colocarlas en el cohete.

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Partimos de botellas de soda de 2,25 litros de capacidad, a las cuales le agregábamos otra

cortada para que sirva de ojiva, cortando también la rosca del pico.

El material elegido para las aletas fue variado. Las construimos de:

• Cartón

• Madera balsa

• Compact Disc

• Plástico

• Telgopor

Se eligieron las aletas de madera balsa y cartón, en configuración de 3 (tres) espaciadas a 120º

cada una.

Determinación del CG y el CP

Se determinó el centro de gravedad (CG) usando un cordel y balanceando el modelo hasta que

encuentre el equilibrio. Para le centro de presión (CP) proyectamos la silueta del modelo

sobre un cartón y determinamos el centro de gravedad de esa figura, la cual nos debería dar el

CP. Sin embargo, sabemos que un cohete estable debe tener un calibre (diámetro ) de

distancia entre esos dos puntos (CG y CP), así que marcamos el CG sin el contrapeso de la

punta y luego pusimos peso en la ojiva para que el nuevo CG se distanciara al menos un

diámetro del

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