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