Cohete de agua

Un cohete de agua es un tipo de modelo de cohete que utiliza agua como masa de reacción. El agua es expulsada mediante un gas a presión, normalmente aire comprimido. Como todos los motores de cohetes, funciona según el principio de la tercera ley del movimiento de Newton. Los aficionados a los cohetes de agua suelen utilizar una o más botellas de plástico de refresco como recipiente a presión del cohete. Es posible una variedad de diseños, incluidos cohetes de múltiples etapas. Los cohetes de agua también se fabrican a medida con materiales compuestos para alcanzar altitudes récord mundiales.

Operación

La botella está parcialmente llena de agua y sellada. Luego, la botella se presuriza con un gas, generalmente aire comprimido con una bomba de bicicleta, un compresor de aire o un cilindro hasta 125 psi, pero a veces se utiliza CO₂ o nitrógeno de un cilindro.

El agua y el gas se utilizan en combinación: el gas proporciona un medio para almacenar energía, ya que es comprimible, y el agua aumenta la fracción de masa del propulsor y proporciona mayor fuerza cuando se expulsa desde la boquilla del cohete. A veces se combinan aditivos con el agua para mejorar el rendimiento de diferentes maneras. Por ejemplo: se puede agregar sal para aumentar la densidad de la masa de reacción, lo que da como resultado un impulso específico mayor. A veces también se utiliza jabón para crear una espuma densa en el cohete que reduce la densidad de la masa de reacción expulsada pero aumenta la duración del empuje.

Luego se suelta el sello de la boquilla del cohete y se produce una rápida expulsión de agua a altas velocidades hasta que el propulsor se agota y la presión del aire dentro del cohete cae a la presión atmosférica. Se crea una fuerza neta sobre el cohete de acuerdo con la tercera ley de Newton. La expulsión del agua puede hacer que el cohete salte una distancia considerable en el aire.

Además de las consideraciones aerodinámicas, la altitud y la duración del vuelo dependen del volumen de agua, la presión inicial, el tamaño de la boquilla del cohete y el peso sin carga del cohete. La relación entre estos factores es compleja y se han escrito varios simuladores para explorar estos y otros factores.

A menudo, el recipiente a presión se construye con una o más botellas de refrescos de plástico usadas, pero también se han utilizado cubiertas de policarbonato para tubos fluorescentes, tubos de plástico y otros recipientes cilíndricos livianos y resistentes a la presión.

• Secuencia de imagen de un vídeo de alta velocidad que muestra el despegue
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Elementos

Botella

Por lo general, una sola botella de refresco carbonatado de tereftalato de polietileno (PET) sirve como recipiente a presión. Los cohetes de varias botellas se crean uniendo dos o más botellas de varias maneras diferentes; Las botellas se pueden conectar a través de sus boquillas, cortándolas y deslizando las secciones unas sobre otras, o conectándolas de apertura hacia abajo, formando una cadena para aumentar el volumen. Esto añade complejidad y el aumento de volumen conduce a un aumento de peso, pero esto debería compensarse con un aumento en la duración del empuje del cohete.

Los cohetes de varias etapas son mucho más complicados. Se trata de dos o más cohetes apilados uno encima del otro, diseñados para lanzarse en el aire, muy parecidos a los cohetes de múltiples etapas que se utilizan para enviar cargas útiles al espacio.

Gasolina

Se utilizan varios métodos para presurizar un cohete de agua, entre ellos:

• Bomba estándar para bicicletas y coches, capaz de alcanzar al menos 75 psi (520 kPa).
• Presión de agua forzando todo el aire en una manguera de agua vacía en el cohete. La presión es la misma que el agua principal.
• Un compresor de aire, como los utilizados en talleres para potenciar equipos y herramientas neumáticos. Modificar un compresor de alta presión (más de 15 bar / 1500 kPa / 200 psi) para trabajar como fuente de energía de cohetes de agua puede ser peligroso, como puede usar gases de alta presión de los cilindros.
• Gases comprimidos en botellas, como dióxido de carbono (CO₂), aire y gas nitrógeno (N₂). Ejemplos incluyen CO₂ en cilindros de paintball y aire en cilindros industriales y SCUBA. El cuidado debe tomarse con gases embotellados: a medida que el gas comprimido se expande, se enfría (ver leyes de gas) y componentes de cohete fresco también. Algunos materiales, como PVC y ABS, pueden ser frágiles y débiles cuando se enfrían severamente. Las mangueras de aire largas se utilizan para mantener una distancia segura, y los medidores de presión (conocidos como manómetros) y las válvulas de seguridad se utilizan típicamente en las instalaciones de lanzadores para evitar los cohetes sobrepresurizantes y hacer que exploten antes de que puedan lanzarse. Los gases altamente presurizados, como los de los cilindros de buceo o los buques de los proveedores de gas industrial, sólo deben ser utilizados por operadores capacitados, y el gas debe ser entregado al cohete a través de un dispositivo regulador (por ejemplo, una primera etapa de SCUBA). Todos los contenedores de gas comprimido están sujetos a leyes locales, estatales y nacionales en la mayoría de los países y deben ser probados periódicamente por un centro de pruebas certificado.
• Sublimando gas dióxido de carbono de hielo seco. El hielo seco se expande 800 veces en volumen sobre la sublimación. Un tapón de goma #3 se inserta forzadamente en el cuello de una botella de plástico de dos litros parcialmente llena de agua. La presión se acumula lo suficiente para sacar el tapón.
• Ignición de una mezcla de gases explosivos por encima del agua en la botella; la explosión crea la presión para lanzar el cohete al aire.

Boquillas

Las toberas de los cohetes de agua se diferencian de las toberas de los cohetes de combustión convencionales en que no tienen una sección divergente como en una tobera De Laval. Debido a que el agua es esencialmente incompresible, la sección divergente no contribuye a la eficiencia y, de hecho, puede empeorar el rendimiento.

Hay dos clases principales de boquillas para cohetes de agua:

• Abierto también a veces se refiere como "estándar" o "full-bore" con un diámetro interior de ~22mm que es la abertura estándar de cuello de botella de soda.
• Restricted que es algo más pequeño que el "estándar". Una boquilla restringida popular tiene un diámetro interior de 9 mm y se conoce como una "Boquilla de Gardena" llamada después de un conector rápido de manguera de jardín común utilizado para hacerlas.

El tamaño de la boquilla afecta el empuje producido por el cohete. Las boquillas de mayor diámetro proporcionan una aceleración más rápida con una fase de empuje más corta, mientras que las boquillas más pequeñas proporcionan una aceleración menor con una fase de empuje más larga.

Aletas

A medida que el nivel de propulsor en el cohete desciende, el centro de masa inicialmente se mueve hacia abajo antes de finalmente moverse hacia arriba nuevamente a medida que se agota el propulsor. Este movimiento inicial reduce la estabilidad y puede hacer que los cohetes de agua comiencen a dar vueltas, disminuyendo en gran medida la velocidad máxima y, por lo tanto, la duración del planeo (tiempo que el cohete vuela bajo su propio impulso).

Para bajar el centro de presión y agregar estabilidad, se pueden agregar aletas u otros estabilizadores que lleven el centro de resistencia más atrás, muy por detrás del centro de masa en todo momento. Los estabilizadores de cualquier tipo normalmente se colocan cerca de la parte posterior de la botella, donde se encuentra el centro de masa. El aumento de la estabilidad que proporcionan las aletas bien diseñadas justifica la resistencia adicional y ayuda a maximizar la altura a la que volará el cohete.

Sistemas de aterrizaje

Las aletas estabilizadoras hacen que el cohete vuele con el morro primero, lo que le dará una velocidad significativamente mayor, pero también causarán que caiga con una velocidad significativamente mayor que si cayera al suelo, y esto puede dañar el cohete o quienquiera o lo que sea que golpee al aterrizar.

Algunos cohetes de agua tienen paracaídas u otro sistema de recuperación para ayudar a prevenir problemas. Sin embargo, estos sistemas pueden sufrir fallos de funcionamiento. Esto se suele tener en cuenta a la hora de diseñar cohetes. Se pueden utilizar parachoques de goma, zonas de deformación y prácticas de lanzamiento seguras para minimizar los daños o lesiones causados por la caída de un cohete.

Otro posible sistema de recuperación consiste simplemente en utilizar las aletas del cohete para frenar su descenso y, a veces, se denomina deslizamiento hacia atrás. Al aumentar el tamaño de las aletas, se genera más resistencia. Si el centro de masa se coloca delante de las aletas, el cohete caerá en picada. En el caso de los cohetes super-roc o de retroceso, el cohete está diseñado de manera que la relación entre el centro de gravedad y el centro de presión del cohete vacío hace que se contrarreste la tendencia inducida por las aletas del cohete a inclinar el morro hacia abajo. por la resistencia del aire del cuerpo largo, lo que haría que cayera con la cola hacia abajo y que el cohete cayera de lado, lentamente.

Tubos de lanzamiento

Algunos lanzacohetes de agua utilizan tubos de lanzamiento. Un tubo de lanzamiento encaja dentro de la boquilla del cohete y se extiende hacia la nariz. El tubo de lanzamiento está anclado al suelo. A medida que el cohete comienza a acelerar hacia arriba, el tubo de lanzamiento bloquea la boquilla y se expulsa muy poca agua hasta que el cohete sale del tubo de lanzamiento. Esto permite una conversión casi perfectamente eficiente de la energía potencial del aire comprimido en energía cinética y energía potencial gravitacional del cohete y el agua. La alta eficiencia durante la fase inicial del lanzamiento es importante, porque los motores de cohetes son menos eficientes a bajas velocidades. Por tanto, un tubo de lanzamiento aumenta significativamente la velocidad y la altura alcanzada por el cohete. Los tubos de lanzamiento son más efectivos cuando se usan con cohetes largos, que pueden acomodar tubos de lanzamiento largos.

Competiciones

La Water Rocket Achievement World Record Association es una asociación mundial que administra competencias por récords de altitud que involucran cohetes de agua de una o varias etapas, una competencia de duración de vuelo y competencias de velocidad o distancia para autos propulsados por cohetes de agua.

Se llevan a cabo muchas competiciones locales de diversos tipos, que incluyen:

• En Escocia, el Oscar Swigelhoffer Trophy es un concurso de Aquajet (Water Rocket) celebrado en la Semana Internacional del Rocket en Largs o cerca de Paisley, y organizado por STAAR Research a través de John Bonsor. La competencia se remonta a mediados de los años 80, organizada por los Rocketeers Paisley que han estado activos en cohetes amateur desde los años 1930. El trofeo es nombrado por el fallecido fundador de ASTRA, Oscar Swiglehoffer, que también era un amigo personal y estudiante de Hermann Oberth, uno de los padres fundadores de cohetes. La competencia implica la distancia de equipo volando de cohetes de agua bajo una presión acordada y ángulo de vuelo. Cada equipo consta de seis cohetes, que son volados en dos vuelos. La mayor distancia para cada cohete sobre los dos vuelos se registra, y las distancias finales del equipo se collan, con el equipo ganador que tiene la mayor distancia. El ganador en 2007 fue ASTRA.
• En el Reino Unido, la mayor competencia de cohetes acuáticos es el desafío anual de Water Rocket Challenge del Laboratorio Nacional de Física. La competencia se abrió por primera vez al público en 2001 y se limita a unos 60 equipos. Cuenta con escuelas y categorías abiertas, y cuenta con una variedad de "trabajos" y equipos privados, algunos que viajan desde el extranjero. Las reglas y metas de la competencia varían de año a año.
• En Alemania, la competencia de cohetes acuáticos más antigua y popular es el Concurso de Rocket de Agua de estilo libre. () La competencia forma parte de una mayor parte de un concurso de física estudiantil, donde los estudiantes tienen la tarea de construir varias máquinas y entrar en ellas en concursos competitivos.
• En los Estados Unidos, Science Olympiad también organiza eventos de cohetes acuáticos para concursantes en edad escolar elemental.
• En Pakistán, cada año, en la Semana Mundial del Espacio, el Instituto Suparco de Formación Técnica (SITT) celebra una competición de cohetes acuáticos en la que participan diferentes escuelas de todo el Pakistán.
• En Ucrania, cada año se celebra un concurso de cohetes acuáticos en el Centro de Tecnología Innovadora en Educación (CITE). y las escuelas de toda Ucrania participan. El diseño de los cohetes está estandarizado. El concurso promueve la recolección selectiva de residuos secos sólidos en las escuelas.
• En Rusia, Water Rocket.

Récords mundiales

El récord mundial Guinness de lanzamiento de más cohetes de agua lo ostenta el Royal College de Colombo cuando, el 10 de noviembre de 2017, lanzaron 1950 de ellos al mismo tiempo.

El récord actual de mayor altitud lograda por un cohete propulsado por agua y aire es de 2.723 pies (830 metros), ostentado por la Universidad de Ciudad del Cabo, logrado el 26 de agosto de 2015, superando el récord anterior de 2007 de 2.044 pies (623 metros).) en poder de US Water Rockets. El cohete también llevaba una cámara de vídeo como carga útil como parte de la verificación requerida por las reglas de la competencia.

Cohetes de agua caliente

Un cohete de vapor, o "cohete de agua caliente", es un cohete que utiliza agua mantenida en un recipiente a presión a alta temperatura y que genera empuje a través de esta, que se libera en forma de vapor a través de una boquilla de cohete.