Cohete de agua

Tipo de modelo de cohete que utiliza agua como masa de reacción.

Lanzamiento de cohete de agua

Un cohete de agua es un tipo de modelo de cohete que utiliza agua como masa de reacción . El agua es expulsada mediante un gas presurizado, generalmente aire comprimido . Como todos los motores de cohetes , funciona según el principio de la tercera ley del movimiento de Newton . Los aficionados a los cohetes de agua suelen utilizar una o más botellas de plástico de refrescos como recipiente a presión del cohete. Es posible una variedad de diseños, incluidos cohetes de múltiples etapas. Los cohetes de agua también se fabrican a medida con materiales compuestos para alcanzar altitudes récord mundiales.

Operación

Animación simplificada de cómo funciona un cohete de agua.
1) Se añade una burbuja de aire comprimido y presuriza el contenido de la botella.
2) La botella se libera de la bomba.
3) El aire comprimido expulsa el agua a través de la boquilla.
4) La botella se aleja del agua porque sigue la Tercera Ley de Newton.

La botella está parcialmente llena de agua y sellada. Luego, la botella se presuriza con un gas, generalmente aire comprimido con una bomba de bicicleta , un compresor de aire o un cilindro hasta 125 psi, pero a veces se utiliza CO ₂ o nitrógeno de un cilindro.

Lanzamiento de una botella sin cono ni aletas.

Lanzamiento de un cohete de agua. El cohete está en su punto máximo sin agua en su interior.

El agua y el gas se utilizan en combinación: el gas proporciona 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 desde la boquilla del cohete. A veces se combinan aditivos con el agua para mejorar el rendimiento de diferentes maneras. Por ejemplo: se puede agregar sal para aumentar la densidad de la masa de reacción, lo que da como resultado un delta-v más alto . A veces también se utiliza jabón para crear una espuma densa en el cohete que reduce la densidad de la masa de reacción expulsada pero aumenta la duración del empuje.

Luego 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 cae a la presión atmosférica. Se crea una fuerza neta sobre 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 sin carga del cohete. La relación entre estos factores es compleja y se han escrito varios simuladores para explorar estos y otros factores. ^{[1] [2]}

Vídeo en cámara lenta Full HD 40 veces del despegue de un cohete de agua

A menudo, el recipiente a presión se construye a partir de una o más botellas de refrescos de plástico usadas, pero también se han utilizado cubiertas de tubos fluorescentes de policarbonato, tubos de plástico y otros recipientes cilíndricos livianos y resistentes a la presión.

• Secuencia de imágenes de un vídeo de alta velocidad que muestra el despegue.
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Elementos

Botella

Dos cohetes de varias botellas con un gato a escala.

Un cohete de múltiples botellas más grande con aletas cilíndricas.

Normalmente, una única botella de refresco carbonatado de tereftalato de polietileno (PET) sirve como recipiente a presión. Los cohetes de varias botellas se crean uniendo dos o más botellas de varias maneras diferentes; Las botellas se pueden conectar a través de sus boquillas, cortándolas y deslizando las secciones una sobre otra, o conectándolas abriendo hacia abajo, formando una cadena para aumentar el volumen . Esto añade complejidad y el aumento de volumen conduce a un aumento de peso, pero esto debería compensarse con un aumento en la duración del empuje del cohete.

Los cohetes de varias etapas son mucho más complicados. Se trata de dos o más cohetes apilados uno encima del otro, diseñados para lanzarse en el aire, de forma muy parecida a los cohetes de varias etapas que se utilizan para enviar cargas útiles al espacio.

Gas

Se utilizan varios métodos para presurizar un cohete de agua, entre ellos:

• Una bomba estándar para neumáticos de bicicleta/automóvil, capaz de alcanzar al menos 75 psi (520 kPa).
• La presión del agua fuerza todo el aire de una manguera de agua vacía hacia el cohete. La presión es la misma que la de la red 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 para 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. Hay que tener cuidado con los gases envasados: a medida que el gas comprimido se expande, se enfría (ver leyes de los gases ) y los componentes del cohete también se enfrían. Algunos materiales, como el PVC y el ABS , pueden volverse quebradizos y débiles cuando se enfrían mucho. Se utilizan mangueras de aire largas para mantener una distancia segura, y generalmente se utilizan manómetros (conocidos como manómetros ) y válvulas de seguridad en las instalaciones de lanzadores para evitar sobrepresurizar los cohetes y hacer que exploten antes de que puedan lanzarse. Los gases altamente presurizados, como los de los cilindros de buceo o los recipientes de los proveedores de gas industrial, sólo deben ser utilizados por operadores capacitados, y el gas debe entregarse al cohete a través de un dispositivo regulador (por ejemplo, una primera etapa de SCUBA). Todos los contenedores de gas comprimido están sujetos a las leyes locales, estatales y nacionales en la mayoría de los países y su seguridad debe ser probada periódicamente por un centro de pruebas certificado.
• Sublimación del gas 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 número 3 en el cuello de una botella de plástico de dos litros parcialmente llena de agua. La presión aumenta lo suficiente como para hacer saltar el tapón.
• Encendido de una mezcla de gases explosivos sobre el agua de la botella; la explosión crea la presión para lanzar el cohete al aire. ^[3]

Boquillas

Las toberas de los cohetes de agua se diferencian de las toberas de los cohetes 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 toberas de cohetes de agua:

• Abierto, también denominado a veces "estándar" o "de paso total", tiene un diámetro interior de ~22 mm, que es la abertura estándar del cuello de una 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 conoce como "boquilla Gardena", que lleva el nombre de un conector rápido de manguera de jardín común que se utiliza para fabricarlas.

El tamaño de la tobera 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 aceleración menor 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 nuevamente a medida que se agota el propulsor. Este movimiento inicial reduce la estabilidad y puede hacer que los cohetes de agua comiencen a dar vueltas, disminuyendo en gran medida la velocidad máxima y, por lo tanto, la duración del planeo (tiempo que el cohete vuela bajo su propio impulso).

Para bajar el centro de presión y agregar estabilidad, se pueden agregar aletas u otros estabilizadores que lleven el centro de resistencia más atrás, muy por detrás del centro de masa en todo momento. Los estabilizadores de cualquier tipo normalmente se colocan cerca de la parte posterior de la botella, donde se encuentra el centro de masa. El aumento de la estabilidad que proporcionan las aletas bien diseñadas justifica la resistencia adicional y ayuda a maximizar la altura a la que volará el cohete. ^[4]

Sistemas de aterrizaje

Las aletas estabilizadoras hacen que el cohete vuele con el morro primero, lo que le dará una velocidad significativamente mayor, pero también causarán que caiga con una velocidad significativamente mayor que si cayera al suelo, y esto puede dañar el cohete o a quien 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 se suele tener en cuenta a la hora de 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 frenar su descenso y, a veces, se le llama deslizamiento hacia atrás . Al aumentar el tamaño de las aletas, se genera más resistencia. Si el centro de masa se coloca delante de las aletas, el cohete caerá en picada. En el caso de los cohetes super-roc o de retroceso, el cohete está diseñado de 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, lo que haría que cayera con la cola hacia abajo y que el cohete cayera de lado, lentamente. ^[5]

Tubos de lanzamiento

Algunos lanzacohetes de agua utilizan tubos de lanzamiento. Un tubo de lanzamiento encaja dentro de la boquilla del cohete y se extiende hacia arriba, 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 sale del tubo de lanzamiento. Esto permite una conversión casi perfectamente eficiente de la energía potencial del 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 alcanzada por el cohete. Los tubos de lanzamiento son más efectivos cuando se usan con cohetes largos, que pueden acomodar tubos de lanzamiento largos.

Competiciones

La Water Rocket Achievement World Record Association ^[6] es una asociación mundial que administra competencias por récords de altitud que involucran cohetes de agua de una o varias 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 diversos tipos, que incluyen:

• En Escocia, el Trofeo Oscar Swigelhoffer es una competencia Aquajet (Cohete de agua) que se lleva a cabo en la Semana Internacional Anual de Cohetes ^[7] en Largs o la cercana Paisley , y está organizada por STAAR Research ^[8] a través de John Bonsor. La competición se remonta a mediados de los años 1980 y fue organizada por los Paisley Rocketeers, que han estado activos en la cohetería amateur desde los años 1930. El trofeo lleva el nombre del difunto fundador de ASTRA, ^[9] Oscar Swiglehoffer, quien también fue amigo personal y alumno de Hermann Oberth , uno de los padres fundadores de la cohetería. La competición consiste en el vuelo por equipos 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 de cada cohete en los dos vuelos y se cotejan las distancias finales del equipo, siendo el equipo ganador el que 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 Water Rocket Challenge anual del Laboratorio Nacional de Física . ^{[10] [11]} La competición se abrió al público por primera vez en 2001 y está limitada a unos 60 equipos. Tiene escuelas y categorías abiertas, y a él asisten una variedad de "obras" y equipos privados, algunos viajando desde el extranjero. Las reglas y objetivos de la competición varían de un año a otro.
• En Alemania, la competición de cohetes acuáticos más antigua y popular es la competición de cohetes acuáticos de física y estilo libre. ^[12] ( ^[13] ) La competencia es una parte de 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 concursantes en edad de escuela primaria. ^[14]
• En Pakistán, cada año en la Semana Mundial del Espacio se celebra un concurso de cohetes de agua organizado por el Instituto de Formación Técnica Suparco (SITT), en el que participan diferentes escuelas de todo Pakistán. ^[15]
• En Ucrania, cada año se celebra un concurso de cohetes de agua ^[16] en el Centro de Tecnología Innovadora en Educación ^[17] (CITE). y participan escuelas de toda Ucrania. El diseño de los cohetes está estandarizado. ^[18] El concurso promueve la recogida selectiva de residuos sólidos secos en las escuelas. ^[19]
• En Rusia, cohete de agua. ^[20]

Récords mundiales

Fotografía del apogeo tomada por la cámara de vídeo a bordo del cohete de agua X-12 que batió récords de US Water Rockets a una altitud de 2068 pies (630 m).

El récord mundial Guinness de lanzamiento de más cohetes de agua lo ostenta el Royal College de Colombo cuando, el 10 de noviembre de 2017, lanzaron 1950 de ellos al mismo tiempo. ^[21]

El récord mundial Guinness del cohete de agua más grande, que mide 7,72 metros (25,3 pies) de alto y 72,5 centímetros (28,5 pulgadas) de diámetro, lo ostenta la NPO Showa Gakuen (Japón). Fue presentado, medido y lanzado el 2 de junio de 2022 en Taiki, Hokkaido , Japón. ^[22] El poseedor del récord anterior era el Laboratorio Nacional de Física (Reino Unido) con un cohete de agua que medía 3,40 metros (11,2 pies) de alto y 40 centímetros (16 pulgadas) de diámetro. Fue presentado, medido y lanzado el 15 de junio de 2011. ^{[23] [10]}

El récord actual de mayor altitud lograda por un cohete propulsado por agua y aire es de 2723 pies (830 metros), ^[24] en manos de la Universidad de Ciudad del Cabo , ^[25] logrado el 26 de agosto de 2015, superando el récord anterior de 2007 de 2044 pies. (623 metros) en poder de US Water Rockets. ^[26] El cohete también llevaba una cámara de vídeo como carga útil como parte de la verificación requerida por las reglas de la competencia. ^[27]

Cohetes de agua caliente

Un cohete de vapor , o "cohete de agua caliente", es un cohete que utiliza agua mantenida en un recipiente a presión a alta temperatura, y que genera empuje a través de esta siendo liberada en forma de vapor a través de una boquilla de cohete. ^[28]

Ver también

• Cohete de bicarbonato de sodio
• Cohete pisar fuerte

Bibliografía

• D. Kagan, L. Buchholtz, L. Klein, Cohetes de agua con botellas de refresco, The Physics Teacher 33, 150-157 (1995)
• CJ Gommes, Un análisis más exhaustivo de los cohetes de agua: adiabáticas húmedas, flujos transitorios y fuerzas de inercia 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

1. "Modelo de computadora de cohete de agua". nasa.gov . NASA . Archivado desde el original el 7 de febrero de 2006.
2. Sim Water Rocket Archivado el 28 de julio de 2013 en Wayback Machine desde Dean's Benchtop
3. "Mesa de trabajo de Dean: cohete de agua propulsado por hidrógeno". Et.byu.edu. 2000-09-07. Archivado desde el original el 25 de junio de 2014 . Consultado el 8 de abril de 2019 .
4. "Estabilidad del cohete". exploración.grc.nasa.gov . Archivado desde el original el 12 de mayo de 2006 . Consultado el 14 de enero de 2022 .
5. "Super Roc Rocket Gliders" Archivado el 10 de marzo de 2016 en Wayback Machine , 2002, LUNAR.org
6. "Asociación de récord mundial de logros con cohetes de agua". Wra2.org. Archivado desde el original el 28 de abril de 2019 . Consultado el 8 de abril de 2019 .
7. "Semana anual internacional de cohetes". Irw.rocketry.org.uk. Archivado desde el original el 1 de abril de 2019 . Consultado el 8 de abril de 2019 .
8. "Investigación STAAR". gbnet.net . Archivado desde el original el 6 de junio de 2007 . Consultado el 14 de junio de 2007 .
9. "ASTRA". ASTRA. Archivado desde el original el 5 de noviembre de 2018 . Consultado el 8 de abril de 2019 .
10. "Cohetes de agua". Sitio web de NPL . Archivado desde el original el 17 de enero de 2021 . Consultado el 30 de enero de 2023 .
11. "Lista de reproducción". Youtube.com. 2008-06-16 . Consultado el 8 de abril de 2019 .^{[ enlace muerto de YouTube ]}
12. "Concurso de cohetes acuáticos de estilo libre y física". Fkpme246a.uni-duisburg.de. Archivado desde el original el 4 de marzo de 2016 . Consultado el 8 de abril de 2019 .
13. "Rangliste Wasserraketen". Fkpme246a.uni-duisburg.de. 2011-06-21. Archivado desde el original el 31 de julio de 2017 . Consultado el 8 de abril de 2019 .
14. "Ejemplos de eventos K-6 | Olimpiada de Ciencias". Soinc.org. Archivado desde el original el 2 de agosto de 2016 . Consultado el 8 de abril de 2019 .
15. "YouTube". YouTube . Consultado el 8 de abril de 2019 .^{[ enlace muerto de YouTube ]}
16. Oleksandr, Zahoruiko. "Фестиваль "Еко-техно-Патріо" E". ueeu.in.ua. ​Archivado desde el original el 3 de octubre de 2015 . Consultado el 21 de septiembre de 2015 .
17. Александр, Загоруйко. "Центр інноваційних технологій освіти". ueeu.in.ua. ​Archivado desde el original el 26 de septiembre de 2014 . Consultado el 20 de septiembre de 2015 .
18. Олександр, Загоруйко. "Робимо ракети, озброєного робота та ліс Еко-дерев". ueeu.in.ua. ​Archivado desde el original el 26 de septiembre de 2016 . Consultado el 21 de septiembre de 2015 .
19. Олександр, Загоруйко. "Programa" ТЕРИТОРІЯ ІННОВАЦІЙ"". ueeu.in.ua. ​Archivado desde el original el 26 de noviembre de 2015 . Consultado el 21 de septiembre de 2015 .
20. [1] Archivado el 9 de marzo de 2016 en Wayback Machine >Юные техники
21. "La mayoría de los cohetes de agua se lanzaron simultáneamente". Records Mundiales Guinness. Archivado desde el original el 6 de junio de 2014 . Consultado el 1 de junio de 2014 .
22. "El cohete de agua más grande". Records Mundiales Guinness .
23. "Es ciencia espacial, ya que el desafío del cohete de agua de NPL atrae a 600 equipos". El fabricante . Consultado el 26 de junio de 2024 .
24. "Récords mundiales de cohetes de agua oficialmente autorizados". Asociación de récord mundial de logros de cohetes de agua. Archivado desde el original el 12 de junio de 2017 . Consultado el 31 de julio de 2017 .
25. "El equipo de la UCT bate el récord mundial de cohetes". Central tecnológica. 9 de octubre de 2015. Archivado desde el original el 11 de octubre de 2015 . Consultado el 9 de octubre de 2015 .
26. "US Water Rockets se convierte en el primer equipo en superar los puntos de referencia de 2000 pies y 600 metros y establece un nuevo récord mundial de altitud". Cohetes de agua estadounidenses. 14 de junio de 2007. Archivado desde el original el 1 de agosto de 2017 . Consultado el 31 de julio de 2017 .
27. "Reglas de competición de Clase A (etapa única)". Asociación de récord mundial de logros de cohetes de agua. Archivado desde el original el 7 de enero de 2014 . Consultado el 28 de febrero de 2011 .
28. Juan Manuel Lozano Gallegos. "cohetes de vapor". tecaeromex. Archivado desde el original el 24 de noviembre de 2019 . Consultado el 8 de abril de 2019 .

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.
• Vídeo en cámara ultra lenta del despegue de un cohete de agua
• WHOOSH: un programa para calcular el rendimiento de los cohetes de agua, desarrollado por Richard Nakka