Docente: javier h bobadilla




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títuloDocente: javier h bobadilla
fecha de publicación13.02.2016
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ECCI

2014

FLUIDO Y ONDAS

ANDRES FELIPE ARBOLEDA

JENNIFER QUIMBAYO 17272

DOCENTE: JAVIER H BOBADILLA

OBJETIVO GENERAL

Crear una estrategia en la cual se pueda ver un ejemplo de movimiento de impulsión de cohete, para llevar a cabo este experimento, debemos seguir los parámetros expuestos por el profesor, y atender las recomendaciones de este. Para cumplir con el objetico principal de los 100 puntos.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Dar a conocer las leyes de newton en la aplicación de un cohete

Conocer las características de cada uno de los componentes que se utilizan en la elaboración del cohete

Construir un cohete en agua con el fin de que llegue al punto de objetivo

Aplicar los conceptos aprendidos en clase como los son:

  • Principio de pascal

  • Leyes de newton

Implementar los mecanismos necesarios que propaguen la reacción de expulsión de los gases.

MARCO TEORICO

Que es un cohete en agua

Es un cohete de propulsión que se eleva en varias alturas solamente con la propulsión del agua

Un cohete es un vehículo, aeronave o nave espacial que obtiene su empuje por la reacción de la expulsión rápida de gases de combustión desde un motor cohete. A ciertos tipos de cohete se los denomina misil y en cambio de nombre no interviene el tamaño o potencia, sino que generalmente se llama misil a todo cohete de uso militar con capacidad de ser dirigido o manejado activamente para alcanzar un blanco.

ORIGEN

El descubrimiento de la pólvora por los antiguos alquimistas chinos taoístas y sus usos para distintos tipos de armas (flechas de fuego, bombas y cañones), derivaron en el desarrollo de los cohetes. Inicialmente se inventaron para ceremonias religiosas que estaban relacionadas con la veneración a los dioses chinos en la antigua religión china. Fueron los precursores de los actuales fuegos artificiales y, después de intensivas investigaciones, se adaptaron para su uso como artillería en las guerras sucedidas desde el siglo X hasta el XII.

El cohete hidráulico es aquel que usa agua como propelente de reacción,  donde su “motor” es una botella de plástico y su empuje es el aire  comprimido. Es un artefacto volador que se mueve siguiendo las leyes de la física; estas leyes son conocidas como:

3° Ley de Newton implica que la acción y reacción, además de ser de la misma magnitud y opuestas, son colineales; es decir, que se encuentran en la misma recta. Por ello, se establece que en ausencia de fuerzas (externas) la cantidad de movimiento es el producto de masa por su velocidad es constante o su derivada es igual a cero De esta ley se deriva la ecuación de tsiolskovski donde es la velocidad instantánea, la velocidad de salida del fluido por la boca, la masa total inicial y la masa en cada momento La propulsión del cohete se puede interpretar como la expulsión hacia atrás de una parte de masa el cual provocara el empuje que propulsara el resto del cohete hacia adelante (ACCION – REACCION) indemnizando la cantidad de movimiento total de cohete. El cohete es una máquina autopropulsada que se mueve siguiente las Leyes básicas de la física.

 

Existen cuatro fuerzas básicas que predominan en un cohete: El peso: fuerza generada por la atracción gravitacional de la tierra. El empuje: es la fuerza que impulsa hacia arriba y genera movimiento en el cohete.

La sustentación aerodinámica: se produce por la acción de las superficies de sustentación cuando el cohete se desplaza. La resistencia aerodinámica: es generada por el rozamiento del cuerpo del cohete con el aire, y se opone al movimiento vertical. El principio que explica la propulsión de un cohete de agua es la ley de la conservación de la cantidad de movimiento, que es otra forma de llamar a la 3ª ley de Newton o principio de acción-reacción. Este principio establece que en ausencia de fuerzas externas la cantidad de movimiento de un sistema, p, que es el producto de su masa por su velocidad, permanece constante o lo que es lo mismo su derivada es igual a cero.

CARACTERISCAS DEL COHETE

Por cohete se entiende habitualmente un huso aerodinámico que contiene en su interior un motor a reacción, los depósitos para los propulsores y la llamada «carga útil» para transportar, y que es capaz de elevarse verticalmente o con una determinada inclinación desde el suelo o desde el aire.

El corazón de un vehículo de este tipo es el motor a reacción o cohete, que está en condiciones de proporcionar el empuje necesario a su movimiento aprovechando el principio físico de acción y reacción.

En base a este principio, enunciado por primera vez por Isaac Newton (1642-1727), a toda acción corresponde una reacción igual y contraria (tercera ley del movimiento).

En este motor la acción está representada por un flujo de partículas producidas por medio de procesos químicos y/o físicos de diverso tipo, que son expulsadas a altísimas velocidades en una determinada dirección; la reacción, en cambio, está representada por el movimiento del vehículo en la dirección opuesta a aquella en que son expulsadas las partículas.

El aparato propulsor de un cohete, según el mecanismo empleado para la producción de las partículas que proporcionan el empuje, puede estar comprendido en una de las siguientes categorías:

  1. cohete químico.

  2. cohete nuclear.

  3. cohete a iones.



TIPOS DE COHETES



COHETE QUIMICO

Un cohete químico es aquel en el que la propulsión se produce como consecuencia de la mezcla o la combustión de productos químicos. Por ejemplo, keroseno y oxígeno líquido, hidrógeno y oxígeno, agua oxigenada e hidracina, ácido nítrico y furfurol son cohetes de tipo químico con motores de propulsores líquidos. Los hay también sólidos, en los que "simplemente" se deja quemar un compuesto similar a la pólvora (perclorato de aluminio, e incluso algunos en los que se mezcla un gas o líquido con un sólido, llamados motores híbridos. Todos ellos son ejemplos de motores cohete químicos. 
Hay otros tipos de motores de cohete que funcionan no mezclando productos químicos, sino mediante reacciones nucleares o mediante expulsión de iones, acelerando el gas vía el enorme calor que produce un reactor nuclear, o aprovechando campos eléctricos y magnéticos.



COHETE NUCLEAR

Se trata de un tipo de motor aún en estado de proyecto, en el cual no se llevan a cabo procesos de combustión, sino que los gases son llevados a las altas temperaturas necesarias para obtener el empuje del calor generado por un reactor a fisión nuclear (del mismo tipo de las centrales para la producción de energía eléctrica).

Cuando el hombre esté en condiciones de dominar el proceso de Fusión nuclear se podrán realizar también cohetes a fusión.

Los propulsores tomados en consideración para alimentar un motor de cohete a fisión nuclear son el hidrógeno líquido o, incluso, el agua; hechos pasar a través de un radiador de calor, alimentado por la pequeña central nuclear en miniatura, son transformados en gases y entonces expulsados, como en un motor de cohete químico, a través de la tobera de descarga.

Una concepción distinta de cohete nuclear apunta sobre un mecanismo de empuje que se basa en las acciones dinámicas y térmicas desencadenadas por una pequeña sucesión de explosiones nucleares, precisamente como las producidas por un artefacto bélico.

Esta línea de investigación fue iniciada en los años sesenta por un grupo de físicos americanos en el ámbito del proyecto Orión, pero no fue continuada.





COHETEA A IONES

Aunque aún se encuentre en fase experimental, el cohete a iones parece muy prometedor, sobre todo para los viajes de larga duración.

El fenómeno físico sobre el que se basa es precisamente la ionización, es decir, la posibilidad de que los átomos se carguen eléctricamente después de haberles quitado los electrones.

El propulsor utilizado para este tipo de cohete es un metal alcalino, por ejemplo el cesio, cuyos átomos pueden ionizarse con facilidad haciéndolos pasar a través de una rejilla sobrecalentada.

Inmediatamente después, los iones así formados son acelerados a alta velocidad por intensos campos eléctricos.

Entonces, las partículas de cesio ionizadas y aceleradas son expulsadas por la tobera de descarga.

Pequeños motoras de iones montados a bordo de satélites ya han sido experimentados con éxito, hasta el punto de que la NASA, a finales de los años setenta, proyectaba el envío de una sonda accionada por un motor de iones en un largo viaje hacia dos cometas

  • el Halley y el Tempel 2.

Sin embargo, la empresa ha encontrado dificultades tecnicas y presupuestarias.

Un sistema para determinar las prestaciones de un cohete, con relación al empleo que se pretende darle, es el de tomar en consideración dos parámetros fundamentales:

  1. su peso total

  2. y su impulso específico.



MOTOR COHETE

Un motor cohete es un motor de combustión interna que genera empuje mediante la expulsión a la atmósfera de gases que provienen de la cámara de combustión. Los motores cohete incorporan tanto el combustible, que suele ser queroseno o hidrógeno líquido, como el comburente (oxígeno en estado gaseoso o generalmente líquido).

El motor cohete es el motor más potente conocido y su relación peso/potencia lo convierte en el motor ideal para ser usado en naves espaciales.

TIPOS DE MOTORES

  • Motores de propergol sólido. Se refiere a los motores que emplean sustancias sólidas, generalmente una mezcla que se enciende.

  • Motores de propergol líquido. Emplea uno o más propergoles líquidos que se mantienen en tanques antes del encendido. Según la técnica empleada para llevarlos a la cámara de combustión existen varios ciclos: presurizado el tanque, mediante un generador de gas, ciclo expansor y combustión escalonada. Existe una clase de propergoles que arden cuando entran en contacto, los propergoles hipergólicos, lo que elimina la necesidad de un sistema de encendido. Otra variante son los cohetes monopropelente que utilizan un solo propulsor, descompuesto mediante un catalizador. Los compuestos más empleados para monopropelentes son la hidrazina y peróxido de hidrógeno.

  • Motores de propergol híbrido tienen un propulsor sólido en la cámara de combustión y un segundo propelente líquido o gas se añade para realizar la combustión.

Empuje que experimenta el cohete


El recipiente experimenta un empuje que es el producto de la velocidad de salida del agua ve (medida en el sistema de referencia del cohete) por la masa de agua expulsada en la unidad de tiempodM/dt. La velocidad de salida del agua es v2, y el volumen de agua expulsada en la unidad de tiempo (gasto) es S2·v2.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/cohete/image1451.gif

Como hemos visto en la página anterior el las ecuaciones que describen este sistema son:

  1. La ecuación de Bernoulli,


http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/cohete/image1436.gif
 

  1. La ecuación de continuidad,


S
1·v1=S2·v2
 


  1. Expansión isotérmica del gas

p0·S1(H-h0)=p1·S1(H-h)

que nos permiten obtener la expresión de v1 ó v2 en función de la altura h de agua en el recipiente.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/cohete/image1.gif

Aproximación


Si suponemos que la presión debida a la velocidad v1 en la interfase agua-aire y la presión debida a la altura h del agua son pequeñas comparadas con la presión p1=p del aire en el interior del recipiente, la ecuación de Bernoulli se escribe

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/cohete/image1452.gif

Expresamos de forma simple, el empuje E en función de la presión p.

E=2(p-pat)S2

Variación de la altura del agua en el recipiente con el tiempo


A partir de la ecuación de continuidad, obtenemos la variación de la altura h del agua en recipiente en función del tiempo t.

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/cohete/image2.gif

 

Ecuaciones del movimiento


El movimiento del cohete se divide en dos etapas

  1. Mientras sale agua por el orificio

La masa del recipiente no es constante, sino disminuye con el tiempo. La masa del recipiente es la suma de la carga útil, de la masa de las paredes del recipiente y del agua que contiene en el instantet.

m=mu+r S1·h

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La ecuación del movimiento vertical de un cohete, es la de una partícula de masa m bajo la acción de dos fuerzas el empuje y el peso.

ma=E-mg

En forma de ecuación diferencial

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/cohete/image1453.gif

Tenemos que resolver un sistema de dos ecuaciones diferenciales simultáneas:

  • Una ecuación diferencial de primer orden, que nos calcula la variación de h con el tiempo.

  • La ecuación del movimiento. El empuje E y la masa m del cohete son funciones de h (altura de agua en el recipiente).

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En el programa interactivo, se ha resuelto el sistema de dos ecuaciones diferenciales por el método de Runge-Kutta, sin realizar ninguna aproximación. Lo que nos permite incluso examinar el caso de que la presión del aire en el interior del recipiente no sea suficiente para expulsar toda el agua del mismo, y se alcance una altura del fluido en equilibrio tal como vimos en la página anterior.

  1. Cuando se ha agotado el agua

Una vez que se ha agotado el agua del depósito, el aire en el interior del depósito tiene una presión p mayor que la presión atmosférica, pero supondremos despreciable el impulso adicional proporcionado por la salida del aire por el orificio inferior hasta que se igualan las presiones en el interior y exterior del recipiente. Sobre el cohete actúa solamente el peso, por lo que el movimiento es uniformemente acelerado

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/cohete/cohete_6.gif

a=-g
v=v
0-g(t-t0)
x=x
0+v0(t-t0)-g(t-t0)2/2

donde x0, y v0 son la posición y la velocidad del móvil en el instante t0 en el que se ha agotado el combustible, en este caso, agua.

El rozamiento del aire


Al moverse un cuerpo en el aire con velocidad v, experimenta una fuerza de rozamiento, que es proporcional al cuadrado de la velocidad

Esta fuerza de rozamiento no es importante durante la fase de lanzamiento que dura poco tiempo y durante la cual la fuerza de empuje es la que predomina, pero puede ser importante en la fase de vuelo libre desde que se agota el combustible hasta que alcanza la máxima altura.

La fuerza de rozamiento no se ha tenido en cuenta en la simulación del cohete propulsado por agua.



DESARROLLO DEL PROYECTO

LO QUE SE ESPERA CON EL COHETE

Construir un cohete con impulsión de agua y aire que llegue a su punto de objetivo de la cancha para obtener los 100 puntos para así comprender las leyes de la física como lo son y función en la elevación de un cohete las cuales son:

  • Leyes del movimiento parabólico

  • Mecánica de fluidos

  • Aerodinámica

  • Principio de pascal.

Un cohete puede mediante una impulsión de agua y aire llegar a un punto de objetivo o altura que se proponga esto se debe a la utilización de la presión que se ejerce por el aire comprimido sobre el agua lo que hace que el agua genere presión y realice la elevación del cohete.

APLICACIONES

PRINCIPIO DE PASCAL: Es la presión en un cuerpo incomprensible recipiente de paredes indeformables se trasmite con la misma intensidad en todas las dirección.

AERODINAMICA: El volumen es superior a la masa esto se debe a que el empuje es mayor al peso

HIPOTESIS

Se puede realizar un correcto funcionamiento del cohete para lo cual se aplica los principios como los son la aerodinámica leyes de newton y principio de pascal.

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MATERIALES

  1. Una Botella de plástico de 600ml.

  2. Cartulina

  3. Una Bomba de aire.

  4. Manguera

  5. Corcho.

  6. Cartón

  7. Cinta

  8. Silicona

  9. Colbon
    Tijeras

  10. Valbula de aire

















CRONOGRAMA

ACTIVIDAD

ene-01

feb-02

mar-03

abr-04

may-05

DETERMINACION DEL OBJETIVO A ESTUDIAR

 

 

 

 

 

FUNDAMENTOS TEORICOS

 

 

 

 

 

PLANIFICACION DEL TRABAJO

 

 

 

 

 

RECOJIDOS Y DATOS DE TRABAJO

 

 

 

 

 

ANALISIS DEL TRABAJO

 

 

 

 

 

PRESENTACION DEL TRABAJO

 

 

 

 

 



BIBLIOGRAFIA

file:///C:/Users/equio/Downloads/5%20Motores%20cohete%20quimicos.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Cohete

http://adte.galeon.com/aficiones1374867.html

CONCLUSIONES

El desarrollo de este cohete nos permitió desarrollar las habilidades en la imaginación por lo tanto y conocer cada una de las leyes que representan el movimiento en la física y su funcionalidad


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