Cohete de agua

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

La botella se llena parcialmente con agua y se sella. Luego 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 usa 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 compresible, y el agua aumenta la fracción de masa del propulsor y proporciona una 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 delta-v más alto . El jabón también se usa a veces para crear una espuma densa en el cohete que reduce la densidad de la masa de reacción expulsada pero aumenta la duración del empuje.

A continuación, se abre el sello de la boquilla del cohete y se produce una rápida expulsión de agua a gran velocidad hasta que se agota el combustible y la presión del aire en el interior del cohete desciende hasta 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 del cohete sin carga. La relación entre estos factores es compleja y se han escrito varios simuladores para explorar estos y otros factores. ^{[1] [2]}

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

• Secuencia de imágenes de un vídeo de alta velocidad que muestra el despegue
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Por lo general, una sola botella de tereftalato de polietileno (PET) para refrescos carbonatados 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 una sobre otra, o conectándolas de la abertura al fondo, formando una cadena para aumentar el volumen . Esto agrega complejidad y el mayor volumen conduce a un mayor peso, pero esto debería compensarse con un aumento en la duración del empuje del cohete.

Los cohetes de varias etapas son mucho más complicados. Consisten en dos o más cohetes apilados uno sobre otro, diseñados para lanzarse en el aire, de forma muy similar a los cohetes de varias etapas que se utilizan para enviar cargas útiles al espacio.

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

• Una bomba de neumáticos de bicicleta o automóvil estándar, capaz de alcanzar al menos 75 psi (520 kPa).
• Presión de agua que fuerza todo el aire de una manguera de agua vacía hacia el cohete. La presión es la misma que la de la tubería principal de agua.
• Un compresor de aire, como los que se utilizan en los talleres para alimentar equipos y herramientas neumáticas . Modificar un compresor de alta presión (superior a 15 bar/1500 kPa/200 psi) para que funcione como fuente de energía para un cohete de agua puede ser peligroso, al igual que utilizar gases a alta presión de cilindros.
• Gases comprimidos en botellas, como dióxido de carbono (CO2 ₎ , aire y gas nitrógeno (N2 ₎ . Algunos ejemplos incluyen CO2 _en cilindros de paintball y aire en cilindros industriales y de buceo. Se debe tener cuidado con los gases envasados: a medida que el gas comprimido se expande, se enfría (ver leyes de los gases ) y los componentes del cohete también se enfrían. Algunos materiales, como PVC y ABS , pueden volverse frágiles y débiles cuando se enfrían severamente. Se utilizan mangueras de aire largas 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 lanzamiento para evitar sobrepresurizar los cohetes y hacer que exploten antes de que puedan lanzarse. Los gases altamente presurizados, como los de los cilindros de buceo o los recipientes de los proveedores de gas industrial, solo deben ser utilizados por operadores capacitados, y el gas debe entregarse al cohete a través de un dispositivo regulador (por ejemplo, una primera etapa de buceo). Todos los contenedores de gas comprimido están sujetos a leyes locales, estatales y nacionales en la mayoría de los países y deben ser probados de seguridad periódicamente por un centro de pruebas certificado.
• Sublimación de dióxido de carbono gaseoso a partir de hielo seco. El volumen del hielo seco se expande 800 veces al sublimarse. Se introduce con fuerza un tapón de goma del número 3 en el cuello de una botella de plástico de dos litros parcialmente llena de agua. La presión aumenta lo suficiente como para que el tapón salte.
• Encendido de una mezcla de gases explosivos sobre el agua en la botella; la explosión crea la presión para lanzar el cohete al aire. ^[3]

Las toberas de cohetes de agua se diferencian de las toberas de cohetes de combustión convencionales en que no tienen una sección divergente como la 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 denominado a veces "estándar" o "de paso completo", tiene un diámetro interior de ~22 mm, que es la abertura del cuello de una botella de refresco estándar.
• Restringida , que es cualquier boquilla más pequeña que la "estándar". Una boquilla restringida popular tiene un diámetro interior de 9 mm y se conoce como "boquilla Gardena", llamada así por un conector rápido de manguera de jardín común que se usa para fabricarlas.

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

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

Para bajar el centro de presión y añadir estabilidad, se pueden añadir aletas u otros estabilizadores que lleven el centro de fricción más atrás, muy por detrás del centro de masa en todo momento. Los estabilizadores de cualquier tipo se colocan normalmente cerca de la parte trasera de la botella, donde se encuentra el centro de masa. El aumento de estabilidad que proporcionan las aletas bien diseñadas compensa la resistencia adicional y ayuda a maximizar la altura a la que volará el cohete. ^[4]

Las aletas estabilizadoras hacen que el cohete vuele con el morro primero, lo que le dará una velocidad significativamente mayor, pero también harán que caiga con una velocidad significativamente mayor que si cayera al suelo, y esto puede dañar al cohete o a quien sea 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 fallas. Esto se suele tener en cuenta al 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 implica simplemente el uso de las aletas del cohete para frenar su descenso y a veces se lo llama deslizamiento hacia atrás . Al aumentar el tamaño de las aletas, se genera más resistencia. Si el centro de masa se coloca por delante de las aletas, el cohete se hundirá en picado. En el caso de los cohetes superroc o de deslizamiento hacia atrás, el cohete está diseñado de tal manera que la relación entre el centro de gravedad y el centro de presión del cohete vacío hace que la tendencia inducida por las aletas del cohete a inclinar el morro hacia abajo sea contrarrestada por la resistencia del aire del cuerpo largo, que haría que cayera con la cola hacia abajo, lo que daría como resultado que el cohete cayera de lado, lentamente. ^[5]

Algunos lanzacohetes de agua utilizan tubos de lanzamiento. Un tubo de lanzamiento encaja dentro de la boquilla del cohete y se extiende hacia arriba en dirección a 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 gravitatoria 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 lo tanto, un tubo de lanzamiento aumenta significativamente la velocidad y la altura alcanzadas por el cohete. Los tubos de lanzamiento son más efectivos cuando se utilizan con cohetes largos, que pueden acomodar tubos de lanzamiento largos.

La Water Rocket Achievement World Record Association ^[6] es una asociación mundial que administra competiciones para alcanzar récords de altitud con cohetes de agua de una o varias etapas, una competición de duración de vuelo y competiciones de velocidad o distancia para automóviles propulsados ​​por cohetes de agua.

Se celebran numerosas competiciones locales de diversa índole, entre ellas:

• En Escocia, el Trofeo Oscar Swigelhoffer es una competición de Aquajet (cohetes de agua) que se celebra en la Semana Internacional Anual de Cohetes ^[7] en Largs o cerca de Paisley , y está organizada por STAAR Research ^[8] a través de John Bonsor. La competición se remonta a mediados de la década de 1980, organizada por los Paisley Rocketeers, que han estado activos en la cohetería amateur desde la década de 1930. El trofeo lleva el nombre del difunto fundador de ASTRA, ^[9] Oscar Swiglehoffer, que también era amigo personal y alumno de Hermann Oberth , uno de los padres fundadores de la cohetería. La competición implica el vuelo en equipo de distancia de cohetes de agua bajo una presión y un ángulo de vuelo acordados. Cada equipo consta de seis cohetes, que vuelan en dos vuelos. Se registra la mayor distancia de cada cohete en los dos vuelos y se cotejan las distancias finales del equipo, siendo el equipo ganador el que tiene la mayor distancia. El ganador en 2007 fue ASTRA.
• En el Reino Unido, la competición de cohetes de agua más importante es actualmente el Water Rocket Challenge, que organiza anualmente el Laboratorio Nacional de Física . ^{[10] [11]} La competición se abrió al público por primera vez en 2001 y está limitada a unos 60 equipos. Tiene categorías escolares y abiertas, y participan diversos equipos "de trabajo" y privados, algunos de los cuales viajan desde el extranjero. Las reglas y los objetivos de la competición varían de un año a otro.
• En Alemania, la competición de cohetes de agua más antigua y popular es la Freestyle-Physics Water Rocket Competition. ^[12] ( ^[13] ) La competición es una parte de una parte más grande de una competición de física estudiantil, donde los estudiantes tienen la tarea de construir varias máquinas y participar en concursos competitivos.
• En Estados Unidos, la Olimpiada de Ciencias también organiza un evento de cohetes de agua para concursantes de escuela primaria. ^[14]
• En Pakistán, cada año, durante la Semana Mundial del Espacio, se organiza una competición de cohetes de agua organizada por el Instituto de Capacitación Técnica Suparco (SITT), en la que participan diferentes escuelas de todo el país. ^[15]
• En Ucrania, cada año se celebra un concurso de cohetes de agua ^{[16] en el Centro de Tecnología Innovadora en Educación [17]} (CITE), en el que participan escuelas de toda Ucrania. El diseño de los cohetes está estandarizado. ^[18] El concurso promueve la recolección selectiva de residuos sólidos secos en las escuelas. ^[19]
• En Rusia, cohete de agua. ^[20]

El récord mundial Guinness de lanzamiento de más cohetes de agua lo tiene el Royal College, Colombo , cuando el 10 de noviembre de 2017 lanzaron 1950 de ellos al mismo tiempo. ^[21]

El récord Guinness del cohete de agua más grande, con 7,72 metros (25,3 pies) de alto y 72,5 centímetros (28,5 pulgadas) de diámetro, lo ostenta la organización sin fines de lucro Showa Gakuen (Japón). Fue presentado, medido y lanzado el 2 de junio de 2022 en Taiki, Hokkaido , Japón. ^[22] El anterior récord lo ostentaba el National Physical Laboratory (Reino Unido) con un cohete de agua de 3,40 metros (11,2 pies) de alto y 40 centímetros (16 pulgadas) de diámetro. Fue presentado, medido y lanzado el 15 de junio de 2011. ^{[23] [10]}

El récord actual de mayor altitud alcanzada por un cohete propulsado por agua y aire es de 2723 pies (830 metros), ^[24] en poder de la Universidad de Ciudad del Cabo , ^[25] logrado el 26 de agosto de 2015, superando el récord anterior de 2007 de 2044 pies (623 metros) en poder de US Water Rockets. ^[26] El cohete también llevaba una cámara de vídeo como carga útil como parte de la verificación requerida por las reglas de la competencia. ^[27]

Un cohete de vapor , o "cohete de agua caliente", es un cohete que utiliza agua contenida en un recipiente a presión a alta temperatura, y que genera empuje al ser liberada en forma de vapor a través de una boquilla de cohete. ^[28]

• Cohete de bicarbonato de sodio
• Cohete de pisotón

• D. Kagan, L. Buchholtz, L. Klein, Cohetes de agua fabricados con botellas de gaseosa, The Physics Teacher 33, 150-157 (1995)
• CJ Gommes, Un análisis más exhaustivo de los cohetes de agua: adiabáticos húmedos, flujos transitorios y fuerzas inerciales en una botella de refresco, American Journal of Physics 78, 236 (2010)
• A. Romanelli, I. Bove, F. González, Expansión del aire en un cohete de agua, American Journal of Physics 81, 762 (2013)

• Asociación de récords mundiales de logros con cohetes de agua: asociación internacional dedicada a la construcción y operación segura de cohetes de agua y organismo rector de todos los récords mundiales de cohetes de agua.
• Vídeo en cámara ultra lenta del despegue de un cohete de agua
• WHOOSH: un programa para calcular el rendimiento de los cohetes de agua, desarrollado por Richard Nakka