Cohetes de agua en Física!!!!

 

Los cohetes de agua son una divertida forma de enseñar conceptos de física, voy a enfocar este trabajo en la construcción de los mismos y sobre el tema específico donde lo puse a la práctica en el aula.

Para comenzar, una advertencia, si bien esto parece inofensivo las precauciones hay que tomarlas, el chorro de agua sale con tanta fuerza que es capaz de romperle un dedo a alguien que ponga la mano en la salida, igual si una persona es impactada por el cohete puede causarle daños, así que mucho cuidado!!

Que es un cohete de agua?

Se trata de una botella PET, la de las gaseosas que son descartables, acondicionada con unas aletas, una tobera y como combustible propelente se le agrega mas o menos 1/3 parte de agua, con un inflador se le da presión hasta 7 Kg/cm^2, no mas de eso, la tobera tiene un seguro que cuando se llega a la presión deseada se libera provocando la salida a gran velocidad del líquido que por tercera ley de Newton (acción y reacción) hace despegar al cohete hasta alturas considerables.

Construcción del cohete

Se parte de 2 botellas de 2,25 litros a una se la corta mas o menos a la mitad y a la otra se la deja entera y será el motor del cohete.

La botella verde será el motor, importante es ver que no este pinchada o rajada o tenga algún rasguño profundo ya que será la que debe aguantar la presión del aire comprimido, las botellas de este tipo están preparadas para aguantar hasta 9Kg/cm^2 así que lo máximo que le daremos será 7 Kg para evitar alguna explosión.

Se enchufa la parte cortada tal como muestra la imagen y se pega con cinta de embalar el largo total de este modelo es de 55cm y un peso de 148 gr.

Se preparan con plástico o cartón 3 o 4 aletas, en mi caso usé 4 aletas de 10x10 cm hechas con un plástico que se usa para carteles, parece un cartón corrugado, pero plástico, uno de los costados se corta con el perfil de la botella para poder pegarlo , deben quedar perfectamente a 90° cada aleta, se pega con la pistola de soldar plástico, luego se corta el ángulo

 

En la parte superior necesitaremos agregar un lastre para que sea estable en el vuelo, alrededor de 50 grs, en mi caso tenía a mano limaduras de hierro, así que en un tubo de pvc de 1/2 pulgada al que le agregué un corcho en el fondo puse las limaduras

 

que pese los 50 grs  (falto un poco casi 47 gr) y luego por la tapa de la botella que cortamos ingresé el tubo.

El tubo de pvc debe ser justo de un largo que apoye la parte inferior en la otra botella para que quede bien centrada la carga

Al cohete hay que pintarlo de un color que haga buen contraste con el cielo para que se vea bien, si lo pintan de azul o celeste la visualización no será la adecuada y cuando hagan la filmación no se verá.

 

El Vampiro I ya esta listo.

La tobera

Para el lanzador y la tobera usaremos los acoples rápidos para mangueras de jardín, el macho tiene una rosca que no es la misma que la de la botella, por lo que con cuidado hay que cortarlo con una sierra,

El gris es el macho entero y el negro ya esta reformado para ser usado como tobera, para rosca usamos la misma tapa del PET a la que le haremos un agujero.

 

Para el lanzador necesitamos una base sólida, lo que tenía a mano era una llanta vieja de un auto y con una arandela y tres trozos de hierro quedó de esta manera

 

El agujero de la arandela es tal que puede pasar la rosca de la otra parte del acople rápido,  que hay que cortar con la sierra para que podamos poner unas abrazaderas, dejaremos solo unos mm de rosca para que la tuerca plástica que lleva pueda sujetar al conjunto, también esa tuerca hay que cortarla.

Va doble brida bajo para asegurar la estanqueidad del sistema, no debe perder aire por ningún lado

 

Por el orificio pasamos un caño de cobre que hará de guía, la parte móvil (de color naranja) cuando se jala hacia abajo destraba, la abrazadera tiene dos chapas perforadas que llevan sendos alambres hacia el sistema disparador.

Cuando se tira de la piola los alambres tiran hacia abajo esa parte móvil y la presión hace salir al cohete.

 

Con otra brida se conecta una manguera reforzada al caño de cobre y en el extremo una válvula de bronce de las que se usan en ruedas de camiones.

El inflador puede ser uno común de motos o uno chino como el que se muestra

 

La ventaja es que se ponen en el encendedor de cigarrillos del auto y listo, vienen con un medidor de presión

Hay que darle presión hasta los 7 Kg/cm^2 de la escala amarilla, o lo que es lo mismo unos 100 psi

Una experiencia docente con los cohetes de agua

En mi caso estaba enseñando energía potencial gravitatoria en 5to año del Instituto Los Sagrados Corazones y decidí incorporar este práctico, dividí el curso en tres grupos de 10 y les propuse un concurso, cada grupo debería presentar un trabajo armando uno de estos cohetes, lanzarlo y hacer cálculos pertinentes para determinar la EPG del cohete cayendo desde la máxima altura que pudiera alcanzar.

Si recuerdan el cálculo de la energía potencial gravitatoria es

EPG= m G h

Donde m es la masa en Kg, G es la aceleración de la gravedad 9,8 m/seg^2 y h es la altura.

El problema, como se ve, esta en averiguar la altura máxima a la que llega el cohete, primero se propuso cronometrar la caída, un observador largaba un cronómetro en el preciso momento que el cohete dejaba de subir y comenzaba su caída, los resultados no fueron buenos debido a que no es fácil verificar ese exacto momento.

Los mismos chicos propusieron filmar el lanzamiento y con el análisis cuadro a cuadro del video con un programa de edición de video como virtualdub por ejemplo, ver ese exacto momento en que la aeronave empieza a caer, fue muy interesante porque  se lograron ver detalles que a simple vista o que con fotos comunes no se podían ver, las cámaras filman a 30 fps (fotogramas por segundo)

Un fotograma que muestra el chorro de agua coloreada de uno de los lanzamientos.

Este método resulto bastante bueno, pero los cohetes son bastante voluminosos y empezamos a pensar que la resistencia por rozamiento era grande y nuestras medidas no eran exactas, en un caso se midieron unos 5 segundos y fracción

En el cálculo de la altura, debemos calcular primero la velocidad

Vf= V0 +G t

Vf= velocidad final, V0 es velocidad inicial que en este caso es cero, G es aceleración de gravedad y t es el tiempo

Vf= G t= 9.8m/seg^2 * 5= 49 m/seg

Para calcular la altura

2Gh= Vf ^2-V0^2

h= (49 m/seg)^2/2G= 122. 3 metros. 

Si  bien estos cohetes van alto, difícilmente puedan superar los 100 mts, así que decidimos buscar otra alternativa. Se pensó en medir el ángulo con un especie de teodolito, pero uno de los chicos propuso algo simple e inédito, atarle un hilo al cohete así que se experimentó esa  forma usando para tal fin una caña de pescar y reel con sedal de 0.20m

 

Puede verse a mis chicos de 5to del Instituto Los Sagrados Corazones, el Vampiro I y la caña con la que medimos la altura.

C representa la tanza,  A es la distancia desde el lugar de lanzamiento hasta el de lugar de caída y B es la altura

Midiendo con el topómetro casero

Como ejemplo ilustrativo las medidas que hicimos fueron:

A= 50.69 metros (Había bastante viento el día que hicimos la prueba y el cohete se desvió mucho)

C= 78,44 metros, la tanza es muy liviana y finita en el reel pueden entrar unos 150 mts de tanza de 0.20mm

El cálculo de la altura resultó:

B= 59,8 metros,  por tanto la EPG= m. G. h= 0.149x 9.8x 59.8= 87 Julios

Al Vampiro I le dimos 5Kg/cm^2 de presión porque tenía una falla la tobera y perdía algo de agua.

Si calculamos la energía que acumulaba la botella,  considerando que la presión era de 5Kg/cm^2 y que el volumen libre era de unos 2 litros, (perdía bastante agua por la tobera), de todas maneras es solo un cálculo grueso que nos da la pauta de si los resultados están en rangos posibles, tampoco confío mucho en el medidor de presión del inflador chino ese :-).

E= P. V

Donde P es la presión en Kg/m^2, V es el volumen en m^3 del cohete,

E= 50.000 Kg/m^2  0,002 m^3= 100 Julios

Tiene bastante color , no? habría un 13% de perdida de energía.

Un video del lanzamiento de uno de los cohetes de mis alumnos

Topómetro hecho en casa con una calculadora

 

Mas de una vez tenemos que medir distancias de tamaño medio digamos, algo como 100 metros o mas y si disponemos de una cinta tenemos que hacerlo entre dos personas y sumando tanta veces como sea necesario, un topómetro es una herramienta que sirve para ese tipo de medidas, se trata de una rueda cuyo perímetro esta medido y tiene un contador de tal forma que cada vez que gira completa una vuelta va sumando los metros.

Este de la imagen es uno comercial

Para fabricar esta herramienta necesitaremos una rueda de bicicleta mejor chica (menos error en la lectura), pero se puede hacer con una grande o usando la misma bicicleta para hacer la medida, nos hará falta una calculadora barata, deberá ser alguna  medio vieja que ha quedado en algún cajón por ahí y que ya no usamos, las mas modernas son mas difíciles de usar para estos menesteres dado que tendremos que hacerle una pequeña “cirugía” soldándole un par de cables dentro, mas precisamente en los terminales de la tecla igual (=) y las modernas calculadoras traen un plástico transparente donde se halla impreso el circuito en una tinta conductora y no puede ser soldado con estaño, también necesitaremos un sensor magnético de alarma, son muy fáciles de conseguir, unos listones de madera y ganas de trabajar un rato.

 

Esta rueda tiene un diámetro de 49.5 cm por tanto su perímetro es de 155,5 cm, cada vez que de una vuelta completa habrá recorrido esa distancia 155,5 cm, la traje de la chatarra y esta sin la cámara, así que en el interior le puse papel de diario, es muy importante que la rueda tenga buen agarre en todo terreno, tiene que ser con goma

Para empezar con los listones de madera hacemos una horquilla para la rueda y podemos agregarle una pequeña plataforma donde va a ir sujeta la calculadora y manija para que nos sea cómodo llevarla.

La horquilla donde va alojada la rueda y la calculadora

Este es un sensor magnético de alarma, son muy económicos, uno tiene un imán y del otro salen dos cables, adentro tiene un pequeño swich que se activa cuando el imán se acerca.

Este sensor va de la siguiente manera:

El que tiene el imán v pegado a la rueda y el de los cables va en la horquilla, es imprescindible que pasen muy cerca prácticamente deben rozar

Para modificar la calculadora, primero la abrimos, debe ser una plaqueta de fibra marrón, no se pueden usar las que tienen su circuito completo en pintura

Esta tiene pistas negras de grafito y unas verdes, si raspamos sobre el verde se sale la pintura y debajo hay cobre que puede soldarse, ubicamos la tecla el = en la plaqueta

Como los contactos de las teclas están con esa pintura, seguimos esas pistas hasta el lugar donde terminan y se juntan con una de las verdes raspamos y soldamos con cuidado un cable bien finito de forma que luego permita armar la calculadora sin que quede levantado y funcionen las teclas

Armamos

Abajo al costado derecho se ven los cables, para ver si funciona hacemos cualquier operación y en lugar de apretar el igual ponemos en corto los dos cables, debe pasar lo mismo que si apretáramos la tecla.

Si todo esto esta bien montamos la calculadora uniendo los dos cables que salen de ella con los dos del sensor magnético.

Hecho esto encendemos la calculadora y ponemos un numero el 1 por ejemplo y presionamos dos veces seguidas el signo + esto hará que la calculadora quede en función constante (en algunas calculadoras aparece una k en el display, cada vez que se presione el = sumará 1 a la cifra de pantalla, probamos si el sensor magnético la activa, si todo va bien cada vez que el imán pase cerca de la parte fija del mismo debe sumar 1

Como se hace la cuenta, siempre va a depender del tamaño de la rueda, en mi caso una vuelta son 155, 5 cm cada uno deberá hacer el calculo para la rueda que usa.

En mi caso ingreso  1,555 y presiono 2 veces el signo +

Para arrancar el imán del sensor debe estar inmediatamente delante de la parte fija, se puede hacer una marca en la rueda para marcar el comienzo, y también se puede marcar todo el perímetro cada 10 cm para achicar el error.

Como funciona

Horno simple para fundir aluminio con lata de 20 litros

 

Como varios se interesaron en este pequeño horno voy a poner algunos datos para construirlo.

En una lata de chapa de 20 litros se practica un agujero al costado a unos 10 cm del fondo por donde se inserta un caño galvanizado de unas 2 pulgadas tapando la punta que queda en el interior con un papel para que no le entre la mezcla refractaria.

Necesitaremos también un caño de PVC de unos 15 cm de diámetro y un largo de 70 cm

En el fondo de la lata es conveniente colocar dos ladrillos refractarios que harán de piso,

Colocamos luego el caño de PVC cuidando que quede bien concéntrico y podemos agregar algún tejido de malla amplia entre el caño de PVC y la pared de la lata para que quede mas armado como se ve en la figura.

Preparamos cantidad suficiente de mezcla refractaria, unos 20 o 30 Kg mezclados 2 o 3 kg de cemento portland y cantidad de agua para que quede una mezcla bastante chirle, la volcamos entre la pared de la lata y el tubo cuidando que no queden espacios con aire, una vez lleno hasta la boca hay que dejar fraguar, dejarlo varios días, luego con cuidado retirar el tubo de PVC y con un palo de escoba entrar por el caño galvanizado sacando el papel que habíamos puesto y dejando la entrada de aire perfectamente libre.

La tapa puede hacerse con la misma mezcla refractaria en un molde dejando un agujero en el medio para la salida de los gases o bien usar una tapa de hierro con perforaciones como el que estoy usando yo

Mi horno a estas alturas ya tiene bastantes batallas y se le han caído un poco las paredes

 

Este hornito tiene unos 2 años y siempre esta afuera a la intemperie, asi que bastante mal tratado

Como puede verse una vieja cortadora de césped sirve como carrito de transporte. (Lo que había a mano)

Otra parte importante del horno es el soplador, use una calefacción de auto, la busqué en la chatarra y con cartón corrugado un caño de PVC y la pistola de soldar plástico quedó así

Para alimentarlo, con 12 v de una batería o una fuente

Va conectado así al horno

Como puede verse la potencia del soplador es muy buena.

El metal a derretir, (yo solo lo uso para aluminio), se coloca en crisol de fundición, este también lo conseguí en la chatarra, es importante si se va a alimentar con carbón que el crisol tenga una tapa, para evitar que le caigan basuras durante el proceso

Mas o menos se pueden derretir en este crisol unos 500 o 600 gr de aluminio.

El horno se carga así, se vuelca un poco de carbón en el fondo, una capa de 10 cm, sobre ese piso se pone el crisol con el metal a fundir con la tapa, luego se pone alrededor del mismo mas carbón que se humedece con un poco de kerosene, se enciende y luego se vuelca arriba otro poco mas de carbón, todo el carbón de la carga es mas o menos la mitad de una bolsita, unos  1,5 Kg.

Se conecta el soplador y se tapa, en unos 25 a 30 minutos se podrá ver que el interior esta al rojo vivo como en esta imagen

Para sacar el crisol podemos usar unas tenazas largas, apagamos la turbina y tratamos de sacar lo mas que se pueda la ceniza que esta sobre la tapa del crisol y con guantes y extremo cuidado sacamos el crisol, quitamos la tapa del mismo y volcamos el metal fundido en un recipiente, las latas de conservas son muy buenas para esto. Ojo porque una gota de metal fundido pasa la zapatilla y el pié también.

Hay que dejar enfriar durante bastante tiempo y recién romper la lata para sacar el bloque.

Una centrífuga casera con una licuadora vieja

La centrífuga es una herramienta muy útil en cualquier laboratorio de química y de biología, también los aficionados a la microscopía verán con agrado este trabajo. Si bien estos instrumentos pueden adquirirse en lugares donde se compran insumos para laboratorio, los precios están bastante fuera del alcance del aficionado, todo lo que sea instrumental debe cumplir con normas ISO y otras que lo encarecen.  Como los trabajos del aficionado son eso, cosas de aficionado, propongo este proyecto que sale prácticamente nada y cumple muy bien para los propósitos del mismo.

La parte fundamental de una centrífuga es el cabezal, asi que me puse manos a la obra con el mismo, he usado aluminio que he fundido en mi horno a carbón en menos de 1 hora con media bolsita de combustible.

Como ya se que van a preguntar, la turbina es de la calefacción de un vehículo, se alimenta con 12v y el caudal de aire es muy bueno, el horno (la lata de 20 litros) esta descrito en http://anajesusa.wordpress.com/2010/07/03/fundicion-de-metales-en-el-horno-de-microondas/ Se puede fundir el aluminio también en el microondas, pero como era bastante cantidad preferí hacerlo en este horno, además que mi mujer estaba en casa y si le uso el MO seguro había bronca en la pajarera, así que mejor no.

Pueden ver el hornito al rojo

El metal fundido lo volqué en una lata de durazno al natural, hay que tener siempre mucho cuidado, una gota de aluminio derretido te perfora si te cae encima.

Así quedó el bloque y con una altura de unos 3 cm

Acá ya le he dado una frenteada con el torno

He hecho el cabezal de 8 tubos y para perforarlo es necesario volcar la mesa de la perforadora de banco a unos 30°  (mejor si son 45°).

Luego con el torno se da un ángulo de manera que el las perforaciones queden a 90°

El cabezal terminado queda como se ve en la imagen.

 

Los tubos que se pueden usar son de este tipo, el de la izquierda, observe que tiene un borde en la boca que hace tope en el cabezal y los Eppendorf (son los tres de la derecha)

Conseguí varias licuadoras en la chatarra, con tierra incluida, elegí esta porque es simétrica, traje otra muy linda pero el motor esta al costado y va a dificultar poner la cobertura al cabezal.

Al motor lo subí para que el  cabezal quede bien cerca del mismo y el vástago no haga tanta fuerza

El motor de la licuadora no se puede usar tal como esta porque levanta muchas vueltas y por mas balanceado que este todo va a vibrar, este motor traía un acople muy corto y tuve que soldarle una varilla roscada para prolongarlo, quedó bien pero no me quedé conforme, tal vez un motor de ventilador funcionará muy bien, estos no levantan tantas vueltas y el vástago es largo se adaptaría mucho mejor al cabezal.

Esta es la electrónica, muy simple para controlar la velocidad

En lugar del BT136 puede usarse un TIC226  el potenciometro de 150K es por disponibilidad, puede usarse otro valor y recalcular la resistencia R1 de manera que al mínimo el motor este detenido y al máximo llegue a una velocidad adecuada, como les comenté antes estos motores giran a muchas RPM y no es conveniente porque aflojan el cabezal y rompen tubos.

Una vista del modelo casi listo, falta la pintura. Con el recubrimiento de otra licuadora vieja fabrique una protección, no queremos regar todo el laboratorio con materia fecal si se rompe el tubo cuando buscamos parásitos allí.

Vista desde arriba

La parte inferior con sus patas de goma para que ande paseando por toda la mesada.

El modelo terminado, dejé las teclas de la licuadora pero sería conveniente agregar en ese lugar un reloj temporizador del tipo del que usan los lavarropas, o hacer un temporizador electrónico.

Un video que muestra el funcionamiento del engendro