Propulsión hidrodinámica

Seminarios de Mecánica de Fluidos: 5. Propulsión Hidrodinámica 1

EPSIG. Mecánica de Fluidos, curso 2006-2007 JMC 07

UNIVERSIDAD DE OVIEDO

E.P.S. Ingeniería de Gijón

Ingenieros Industriales 3er curso

Curso 2006-2007

SEMINARIOS DE MECÁNICA DE FLUIDOS

S5: Propulsión Hidrodinámica

“lanzamiento botella”

INDICE 1. INTRODUCCIÓN

2. CONTENIDO DE LA PRÁCTICA

Definición

Fecha y lugar

Requisitos y disponibilidades

Informe

3. ALGUNOS DATOS

Botella

Aerodinámica de la botella

Rampa

Presión del aire

4. IDEAS SOBRE TAPONES

5. CÁLCULOS

Consideraciones filosóficas

Arrastre aerodinámico

Salida del agua

Salida del aire

Vuelo

Algunos órdenes de magnitud

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1. INTRODUCCIÓN

La propulsión a chorro está basada en la conservación de la cantidad de movimiento del

conjunto proyectil – chorro de propulsión. Si desde un proyectil sale hacia atrás un

chorro de fluido con una cierta velocidad, el proyectil adquiere la misma cantidad de

movimiento en sentido contrario. Cuanto mayor sea el caudal másico y la velocidad del

chorro, y menor la masa del proyectil, mayor será la velocidad que alcanza.

En los cohetes, el chorro de fluido se consigue por medio de

una combustión, pero para obtener una propulsión elemental

no es necesaria la combustión. Se puede utilizar, por

ejemplo, aire comprimido.

Un caso conocido: Si se suelta un globo hinchado, el aire

impulsado hacia atrás por la presión interior empuja el globo

hacia delante. Aquí se va a utilizar una botella de plástico en

posición invertida, parte llena con agua y el resto con aire a

presión. Al soltar el tapón, el aire a presión empuja al agua,

haciéndola salir con una velocidad elevada. Como la densidad del agua es alta, la

cantidad de movimiento que se consigue es alta. Al acabar de salir el agua, el escape del

aire proporciona un incremento de la cantidad de movimiento. Cuando ha terminado la

fase de propulsión, la botella, vacía y con muy poco peso, tiene una velocidad elevada

que permite lanzarla a gran distancia.

2. CONTENIDO DE LA PRÁCTICA

Definición

La práctica consiste en realizar los cálculos necesarios, preparar una botella y para

lanzarla de manera que alcance (ella sola) una distancia horizontal de 60m. Se primará

tanto la exactitud en la distancia alcanzada como en los cálculos. La máxima presión de

aire que se puede introducir es de 3 kg/cm2. Al lanzarla hay que utilizar los resultados

obtenidos en los cálculos, claro.

Fecha y lugar

El martes 23 de enero en el horario establecido para cada grupo (ver anexo final).

En el “prao” enfrente de los edificios departamentales de la zona oeste.

Requisitos y disponibilidades

Grupos de 5 alumnos (ver anexo final).

Cada grupo presentará un informe de los cálculos; para los que se podrá utilizar

cualquier sistema y programa informático que los participantes puedan conseguir1.

Cada grupo realizará un lanzamiento con una botella preparada por sus componentes.

En cuanto a la rampa de lanzamiento y el tapón con el sistema de llenado de aire; se

podrá usar cualquier tipo de rampa y/o tapón construido por los participantes de tres

grupos consecutivos (vera anexo final). Como hay 30 grupos, se tendrán 10 rampas:

1 Se advierte que los cálculos son de por sí bastante complicados, sin necesidad de utilizar un ordenador.

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Rampa 1: grupos 1, 2 y 3

Rampa 2: grupos 4, 5 y 6

Rampa 3: grupos 7, 8 y 9

Rampa 4: grupos 10, 11 y 12

Rampa 5: grupos 13, 14 y 15

Rampa 6: grupos 16, 17 y 18

Rampa 7: grupos 19, 20y 21

Rampa 8: grupos 22, 23 y 24

Rampa 9: grupos 25, 26 y 27

Rampa 10: grupos 28, 29 y 30

Informe (escrito a mano)

En la primera página del informe deberán constar los nombres de los miembros del

equipo y los resultados de los cálculos: volumen de agua, presión inicial del aire y

ángulo de lanzamiento.

En el informe se deberán incluir todos los datos: peso de la botella vacía, etc., y los

cálculos de forma detallada: forma de realizarlos, hipótesis, simplificaciones... (No hace

falta copiar la deducción de las fórmulas que se dan en estos apuntes y sí hace falta

justificar las simplificaciones).

3. ALGUNOS DATOS

Botella

La botella tiene que ser de plástico. Son válidas la mayoría de las utilizadas para

refrescos, pero no lo suelen ser las de agua mineral; además, la presión máxima que

soportan estas últimas puede no ser suficiente (el resultado, a partir de unos 3 bar, es

bastante espectacular).

Como mínimo, la botella deberá estar provista de una proa (“morro”) de corcho o

espuma en la parte delantera según la dirección de avance, con el fin de evitar

desgracias personales en caso de mala puntería

(alguien habrá cerca de la zona de impacto para

medir la distancia).

Aerodinámica de la botella

Para favorecer la estabilidad y la aerodinámica

durante el vuelo son útiles los siguientes

medios:

- Proa redondeada.

- Centro de gravedad adelantado. Se puede lastrar ligeramente la botella en la zona

del morro, pero siempre primando la seguridad.

- Aletas estabilizadoras rectas en la parte posterior. Hay que tener cuidado de que no

interfieran con el tapón ni con la rampa.

Otra posibilidad consiste en aletas curvas que impriman velocidad de giro a la botella.

La estabilidad se consigue en este caso por efecto giroscópico. También se consigue una

desviación de la trayectoria por efecto de la aceleración de Coriolis, pero es menos

importante.

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Rampa

En el Laboratorio de Hidrodinámica, se dispone de una rampa (puede servir como

modelo) formada por una mesa que se puede colocar con cualquier ángulo de

inclinación entre 0º y 90º. Una plomada permite ajustar este ángulo con una precisión de

1º. Sobré la mesa está dispuesta una guía en forma de U con las dimensiones abajo

indicadas. La altura aproximada del punto de salida de la rampa es de 1.5 m y la

longitud de la guía es de alrededor de 1.4 m.

Presión del aire

Se dispondrá de un sistema para introducir el aire a presión a través del tapón. El

sistema tiene acoplado un manómetro para medir la presión, con una escala entre 0 y 6

kg/cm2, con divisiones cada 0.1 kg/cm2. (Nota al pie2).

No se puede utilizar más de 3 kg/cm2 debido a los problemas de estanqueidad y de

apertura.

Volumen de agua

Cada equipo deberá presentar la botella con la cantidad de agua que vaya a utilizar ya

medida. Se aconseja llevar un repuesto para el caso de que haga falta repetir el

lanzamiento.

2 Debido a los sistemas de medida disponibles y a las aproximaciones que se verán

posteriormente, se premiará con el diploma de “Pardillo grado B” a todo aquel que dé

los resultados con una precisión mayor de uno o dos decimales.

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4. IDEAS SOBRE TAPONES

La parte más complicada de la realización práctica es el tapón que mantenga un cierre

eficaz con las presiones utilizadas y, a la vez, una apertura instantánea sin trabas. Aparte

de esto, a través del tapón se puede realizar el llenado del aire a presión, lo que

representa una dificultad añadida.

Para simplificar el tapón y el sistema de apertura, se

puede separar el sistema de llenado de aire, siendo una

posibilidad colocar una válvula de bicicleta en la parte

anterior de la botella. Conviene proteger la válvula, sin

olvidar la proa acolchada.

Con una jeringuilla se puede construir un sistema

bastante eficaz:

Con un taco de madera que tenga un taladro del diámetro de la jeringuilla se puede

quitar el perno de disparo sin sujetar directamente la botella. Para los cálculos hay que

tener en cuenta que el diámetro de salida ya no es el de la botella sino el de la

jeringuilla.

Otro sistema consiste en un tapón de goma o corcho con una horquilla de sujeción en el

collarín:

Advertencia: con estos dos tapones, una presión muy alta puede bloquear el sistema de

disparo.

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5. CÁLCULOS

Consideraciones filosóficas

Esta es la parte realmente “divertida” de la práctica. Si alguno tiene la idea de que esto

es como un bonito tiro parabólico como el que

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