Marco Teórico
En la década de 1960, el Japón importó cohetes de agua de juguete fabricados en Alemania y los Estados Unidos. A mediados de 1980 se realizaron competiciones de cohetes de agua en Escocia.
Las botellas de polietileno tereftalato (PET) para bebidas gaseosas, que es el material que se utiliza generalmente para fabricar cohetes de agua, fueron empleadas por primera vez en 1974 en los Estados Unidos de América y su uso aumentó rápidamente a medida que se difundían entre los consumidores.
La idea de fabricar cohetes impulsados por aire a presión surgió en el año 1983 como proyecto fin de carrera en una universidad de EEUU. Desde entonces, el prototipo de cohete propulsado con agua ha ido ganando popularidad hasta ser usado por la NASA en busca de nuevos talentos por colegios americanos.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
El principio básico que rige cualquier lanzamiento de cohetes, sea cual sea su medio de propulsión, es la 3ª ley de Newton, conocida también como Principio de acción-reacción:
3ª ley de Newton, conocida también como Principio de acción-reacción
Reacción
Cualquier acción aplicada sobre un cuerpo provoca una reacción sobre el mismo cuerpo, de igual magnitud y opuesta a la primera
Acción
Además de este principio básico, para entender completamente cómo se mueve el cohete hay que tener en cuenta otros elementos que intervienen en el proceso:
En primer lugar, la fuerza de la gravedad, que no aparece en el esquema anterior, empuja al cohete hacia abajo. Como es sabido, esta fuerza es mayor cuanta más masa tiene el cohete.
En segundo lugar, el rozamiento del aire hace que el cohete no alcance la velocidad teórica que debería alcanzar por las fuerzas que se producen en él. Cuanto más rápido se mueva el cohete, mayor será el rozamiento del aire. Además, el rozamiento del aire depende de la forma del cohete y de varios factores más (densidad del aire, posición del cohete mientras sube…)
Todos estos factores son los que determinan cómo se mueve el cohete en cada momento. Hay que tener presente que se trata de un movimiento complicado, porque:
La masa del cohete cambia a medida que sube, porque pierde agua.
El rozamiento del aire también cambia, porque la velocidad varía.
La energía necesaria para proporcionar la acción que impulsará al cohete se almacena en el propelente. En los cohetes de agua, el propelente es el aire, que almacena la energía en forma de presión. Esta energía es transmitida al combustible, que es el agua.
En este caso, no puede hablarse propiamente de combustible, porque no hay ninguna reacción química de combustión. Sin embargo, le damos ese nombre por analogía. El agua recibe la presión del aire y es empujada hacia el pico de la botella. La diferencia en las secciones del motor y el pico de a botella produce una enorme aceleración en la salida del agua, y por ello el empuje es muy grande.
Explicación
El cohete, cuando está a punto de ser lanzado, tiene una energía almacenada en su interior en forma de aire a presión. La presión elevada del aire empuja a todas las superficies con las que está en contacto, incluida la del agua, con una fuerza que es igual a la presión por la superficie.
Cuando el pico de la botella se abre y el agua empieza a salir, la fuerza responsable de que el agua salga es sobre todo la debida a la presión interna del aire: El aire empuja al agua hacia fuera, y como la superficie superior del agua es mucho mayor que la inferior, la velocidad que adquiere el agua al salir es muy grande.
Por tanto, lo que sucede en el interior del cohete es una conversión de energía: El aire contiene una energía (presión) que se traslada al agua y se convierte en energía cinética (movimiento). La forma de la botella permite que la conversión de energía sea muy eficiente (es decir, que la presión provoque una velocidad muy grande en el agua que sale del cohete).
Según la 3ª ley de Newton, la reacción se produce sobre el mismo cuerpo que realiza la acción. En el caso del cohete, es él mismo quien realiza la acción (la conversión de energía), y por tanto la reacción se aplica también sobre él. Como la reacción es de igual magnitud y sentido contrario, cuanto mayor sea el valor de la velocidad de salida del agua mayor será la velocidad de reacción del cohete.
TÉRMINOS BÁSICOS
La energía mecánica (es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energíaspotencial y cinética de un cuerpo en movimiento. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo.)
3ª ley de Newton. (Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en direcciones opuestas.)
La energía cinética de un cuerpo es una energía que surge en el fenómeno del movimiento. Está definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde el reposo hasta la velocidad que posee. Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su rapidez. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía cinética.)
Empuje: El empuje es una fuerza mecánica que permite el movimiento de un cuerpo en el aire. Si se considera la Tercera ley de Newton, el empuje sería en un cohete de agua equivalente a la reacción que se produce cuando el agua y el aire comprimido salen por la boca de la botella. El empuje es producto de la reacción de un fluido que acelera. En el cohete, la dirección del empuje es hacia arriba y su magnitud depende de la masa de agua que salga despedida.
Presión: Se debe tener en cuenta que la presión es la fuerza que se ejerce sobre una unidad de área específica y es perpendicular a la superficie.
La presión tiene magnitud pero no tiene dirección. “La presión ejercida por el gas es la que ejercen las moléculas del propio gas. Se le llama presión interna porque actúa desde adentro hacia fuera a través de los choques de sus moléculas con el recipiente que las contiene En cambio, la presión ejercida sobre un gas corresponde a la fuerza que se ejerce sobre él comprimiendo sus moléculas para que ocupen un volumen determinado. Esta se llama presión externa.”
Rozamiento : El Rozamiento es la fuerza que se opone al desplazamiento de un cuerpo en el aire. Se produce cuando el cuerpo está en movimiento y su dirección es contraria a la del cuerpo. Se puede considerar como fricción aerodinámica en la medida en que depende de las propiedades tanto del fluido en dónde se mueve el cuerpo y del cuerpo mismo.
El rozamiento es a la vez una resistencia aerodinámica en la medida en que varía dependiendo de la forma del cuerpo en movimiento ya que de este dependen las variaciones de la presión en el medio.
REFERENCIAS
http://www.aircommandrockets.com/construction.htm
Fluidos y Termodinamica 