martes, 24 de junio de 2008

Cohetes artesanales

Debido a un proyecto de clase, me embarqué junto con un compañero en la elaboración de un cohete artesanal. El cohete debía ser impulsado verticalmente y subir lo más posible. A poder ser, debía estar propulsado sin reacciones químicas.



Cohete de agua

Los cohetes actuales (Ariane 5, Soyuz, transbordador espacial) están propulsados por un propelente. Usan oxígeno e hidrógeno que mezclan y después se produce una combustión altamente energética. Antes se usaban cohetes con otros combustibles, pero siempre con una reacción química de por medio (igual que los automóviles y aeronaves). Para repeler el efecto de atracción (gravedad) de la Tierra, es necesaria gran fuerza y el menor peso posible (a más peso, más fuerza se requiere). Por ello, es necesario que se produzca una reacción muy energética, sino, será imposible vencer la gravedad terrestre, que implica una aceleración negativa de 9.8 m/s cuadrado. Dado que nosotros debíamos evitar cualquier tipo de reacción química, no podíamos usar este tipo de motores de combustión. La única forma posible era mediante un cambio de presión, es decir, diferencia de presiones entre el interior del cohete y del exterior.

Ariane 5
Los cohetes artesanales más comunes son: los de agua, alcohol y los que tienen un combustible. Los que llevan un combustible, son considerablemente peligrosos, y no es recomendable construir uno si no se tiene experiencia o si nadie te guía. Es por esto por lo que descartamos esta opción. Las otras dos opciones son asequibles y poco peligrosas.


Cohete de agua

Cohete de alcohol:

Este cohete es propulsado por alcohol en estado gaseoso. Es un cohete muy sencillo, barato y de escasa peligrosidad. Se necesita una botella, una tapa metálica con un pequeño agujero, un lanzador y si es posible una tobera. La tapa debe tener un agujero inferior al medio cm. La tobera (si la hay) debe estar colocada en ese agujero. Es conveniente colocarle un cono y unas aletas a la botella para que vuele mejor. La botella debe estar seca. Se echan dentro 5-6 gotas de alcohol de 96º (podéis echar más, allá cada uno, pero cuanto más se echa, más posibilidades de que explote). Se cierra rápidamente y se aprieta y suelta la botella unas 4 veces. Al apretar la botella sale el aire y al soltarla vuelve a entrar. Así se consigue ventilarla y que el alcohol (que es muy volátil) se evapore. Se pone la botella en el lanzador (debe estar levantada para poder acceder a la boquilla, y debe estar orientada hacia arriba y sujeta para que no se caiga) y se acerca una cerilla encendida o un mechero a la boquilla. Entonces arde el interior de la botella por el alcohol y al ser la presión mucho mayor que fuera, el gas sale por el pequeño orificio a gran velocidad impulsando el cohete. El tapón debe ser metálico (para que no arda) y debe estar bien sujeto, sino se soltará. No sube mucho ya que se emplea muy poco alcohol, además, el impulso sólo se produce al principio, no se mantiene como en los cohetes o misiles. El impulso dura unos pocos segundos, después lo eleva la inercia. Repito que es importante que el tapón esté sujeto, para que no se salga (pudiendo golpearte) y haciendo el agujero de escape mucho mayor, por tanto habrá menos velocidad de escape de gases. Si se deja enfriar el cohete, se puede reutilizar (siempre que el tapón siga funcionando).

Lanzadera

Cohete de alcohol


Cohete de agua:

Este cohete iba a tener en principio tres sistemas para aumentar la presión interior. Uno iba a ser mediante vinagre y bicarbonato (en vez de usar agua), que al mezclarse producen C02. Esto conlleva a una mayor presión en el interior de la botella. Pero fue descartado, ya que es bastante complejo instalar un sistema para conseguirlo (aunque diseñamos uno, pero puede causar problemas estructurales y que aparezcan agujeros). El sistema consistía en colocar dentro de la botella una probeta con bicarbonato, y con una tapa que estuviese enganchada a una varilla. Esa varilla atravesaría la botella en uno de sus lados. Al apretar la varilla, se mueve la tapa y deja caer el bicarbonato de dentro. Pero para que funcione el agujero en la botella para meter la varilla tiene que ser exacto para que no se salga el aire. Además hay que cortar la botella para instalarlo y después volver a sellarla. Así que hay grandes posibilidades de que no funcione.


Vinagre + CO2

Por ello, este cohete sólo lleva dos sistemas de propulsión. Es una botella de 2 litros de gaseosa, con un orificio más estrecho, algo que nos beneficia. Tiene 4 aletas colocadas en la parte inferior para darle estabilidad y un cono en la punta para que ofrezca menor resistencia al aire (en la dinámica de fluidos, los cuerpos cuya superficie de contacto con el aire aumenta suavemente, como en un cohete, producen menos resistencia). Además tiene un paracaídas suficiente para frenar considerablemente su velocidad en el descenso (pesará menos al bajar ya que no tendrá ni agua ni aire presurizado dentro). El paracaídas está formado por varias bolsas de plástico unidas y cuerdas. Este irá encima del cohete, y pegado a la punta. Al subir el aire hará que se pegue a él, sin embargo, cuando baje, se inflará ya que descenderá hacia abajo y esto lo abrirá. Pero es posible que así suba algo menos, ejerce más resistencia al aire.


Paracaidas

La botella tiene entre un cuarto y un tercio de agua. Tiene dos arandelas de cartulina que la rodean, que en caso de exceso de presión repartirán mejor ésta (aunque al ser de cartulina son de poca utilidad). En la parte de abajo, en un lateral tiene un obús o válvula de hinchado. Procede de la cámara de aire de una bicicleta. En el otro lado hay una pila tipo D para hacer contrapeso y que suba recto. En ese obús se conectará una botellita (con su adaptador) de CO2 que sirve para hinchar ruedas de bicicleta pinchadas. Esto le dará una presión muy considerable. Por último, en la boquilla hay un corcho con un agujero. En este corcho hay otro obús donde se colocará una bomba para hinchar. Ambos obuses están asegurados mediante diversos pegamentos aunque debido a que nos hemos visto obligados a taladrar la botella para meter los obuses quedaron algunos agujeros. Aun así la presión debería ser suficiente para que funcionase.


Cohete agua

Se colocará en un lanzador de madera que construimos. Allí se comenzará a hinchar con la bomba de aire. Una vez tenga bastante presión, se pondrá la botellita de CO2, que rápidamente aumentará la presión. Entonces el tampón se soltará dejando atrás la bomba de hinchado y echando agua hacia abajo (3º ley de Newton o acción reacción) se impulsará. Cuando la atracción terrestre sea superior a su aceleración comenzará a ralentizarse y luego a bajar, abriéndose el paracaídas. Mediante los obuses conseguimos que pueda entrar el aire pero que no salga, ya que estos tienen un mecanismo que lo impide (al estar bajo presión está levantado y cierra el paso del aire hacia fuera).



Botellitas de CO2

Este mismo cohete se puede hacer de forma más sencilla suprimiendo la botella de CO2, o suprimiendo la bomba de aire. De esta forma será más sencillo. También se puede hacer solo con aire, pero es bastante peor, ya que al expulsar el agua, se produce una reacción física, un empuje mayor.


Preparativos para el lanzamiento

Cohete listo para el lanzamiento

Otros cohetes:

Aparte de los ya mencionados, se pueden hacer varios más, aunque muy sencillos. Uno es un simple globo, de los alargados que venden en las tiendas, al cual se le pone una tobera de plástico en la boquilla. Así se consigue que ésta no se mueva y el globo ascienda recto. El globo es flexible, así que se infla y al ser elástico, se contrae, expulsando el aire. Esto lo lleva hacia arriba gracias a su pequeño peso. Prácticamente, es imposible añadirle nada de peso, ya que entonces no sería capaz de moverse y levantar la carga adicional.
Una cerilla también puede ser un cohete. Se cubre con papel albal y se hace un pequeño orificio en este. Con un clip, construimos un lanzador y encendemos la cerilla calentando con un mechero el papel albal. Esta se enciende y los gases producidos sólo pueden salir por el pequeño canal, adquiriendo los gases gran velocidad y propulsando a la cerilla. Pero es difícil que mantengan la dirección.

Conclusiones:

Para mejorar la aerodinámica del cohete es recomendable poner un cono en el extremo superior. La resistencia será menor si la superficie aumenta de forma suave y no brusca. Las aletas le darán estabilidad, ya que harán que rote sobre su propio eje sin que se desvíe. El peso es algo determinante, a más peso, se necesita más propulsión. Incluso en la industria moderna de desarrollo de cohetes y misiles tratan que sean lo más ligeros posibles. Los combustibles también juegan un papel muy importante y al ser difícil vencer la gravedad terrestre se necesitan algunos muy energéticos. El lanzador ha de ser estable (que no se caiga al despegar el cohete) y que sujete bien al cohete para que mire hacia arriba pero sin ofrecer gran resistencia a que suba hacia arriba.


Diferentes lanzaderas


Para mejorar el impulso, se puede poner una tobera en la boquilla, que dirige todo el empuje hacia abajo de forma vectorial. Adosándole un paracaídas se puede conseguir que el cohete baje de forma suave. Esto se puede conseguir con varias bolsas unidas y atado con cuerdas. Al calentar un gas, este se expande ya que se sus moléculas están en movimiento y ocupan más. Si está encerrado en un sitio, aumentará la presión. Pero para que la variación de la temperatura sea efectiva es necesario un aumento superior a 50 grados. Si no, apenas aumenta la presión interna. Al mezclar vinagre y bicarbonato se produce una reacción que emite CO2 y aumenta la presión. Los cohetes con un combustible son complejos, pero hay algunos manuales en Internet acerca de su construcción:

http://usuarios.lycos.es/fisikito/cohete/construyamos.htm

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Autor: Sergio Porres González http://aeronauticamasastronomia.blogspot.com/Este documento ha sido realizado para orientar a posibles personas interesadas en la astronomía, aeronáutica y astronáutica. Si alguien quiere publicarlo, que contacte con su autor: sergioporresgonalez@gmail.com
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