Física del vuelo

Introducción

Física del vuelo

Un cohete es básicamente una máquina voladora autopropulsada que se mueve siguiendo las leyes básicas de la física. La diferencia entre este y un avión radica fundamentalmente en que no se apoya en el medio para propulsarse, o sea que puede viajar en el vacío.

Existen cuatro fuerzas básicas que predominan en el cohete:

-El peso es la fuerza generada por la atracción gravitacional de la Tierra. Depende de la masa, pero en este caso como no la conserva durante todo el vuelo consideraremos la masa total sólo en el primer momento y aplicada en el centro de gravedad.

-El empuje es la fuerza que impulsa hacia arriba y genera el movimiento principal del cohete. Se genera por la salida de masa desde un extremo a alta velocidad cumpliendo el principio de acción y reacción.

-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.

LEYES DE NEWTON

Nuestro cohete además está sometido a las tres leyes o principios de Newton:

Según la Primera Ley de Newton, si no existen fuerzas externas que actúen sobre un cuerpo, éste permanecerá en reposo o se moverá con una velocidad constante en línea recta. El movimiento termina cuando fuerzas externas de fricción actúan sobre la superficie del cuerpo hasta que se detiene. Cuando se presenta un cambio en el movimiento de un cuerpo, éste presenta un nivel de resistencia denominado "Inercia".

Por tanto, a la Primera ley de Newton también se le conoce como ley de la inercia.

La Segunda Ley de Newton determina que si se aplica una fuerza a un cuerpo, éste se acelera. La aceleración se produce en la misma dirección que la fuerza aplicada y es inversamente proporcional a la masa del cuerpo que se mueve. Si la masa de los cuerpos es constante, la fórmula que expresa la segunda ley de Newton es: fuerza = masa x aceleración. En cambio cuando la masa del cuerpo aumenta o disminuye (cohete), la aceleración disminuye o aumenta. Entonces, debes establecer la cantidad de movimiento (p) que equivale al producto de la masa de un cuerpo por su velocidad. Es decir: p = m x v.

La Tercera Ley de Newton postula que la fuerza que impulsa un cuerpo genera una fuerza igual que va en sentido contrario Es decir, si un cuerpo ejerce fuerza en otro cuerpo, el segundo cuerpo produce una fuerza sobre el primero con igual magnitud y en dirección contraria. La fuerza siempre se produce en pares iguales y opuestos.

Por esta razón, a la tercera ley de Newton también se le conoce como ley de acción y reacción.

AERODINÁMICA

Las fuerzas aerodinámicas que produce en su movimiento el cohete se pueden simplificar en dos: sustentación y arrastre.

Para mejorar el vuelo, se debe producir la sustentación sin incrementar demasiado el arrastre. El Centro de Presiones es el lugar donde se concentran todas las fuerzas aerodinámicas normales que actúan sobre un modelo de cohete durante su vuelo. Es decir, es el punto donde actúa la “Fuerza Normal” resultante de todas las fuerzas de presión que ejerce el aire sobre la superficie del modelo.

La ubicación de éste punto puede variar dependiendo de la forma del modelo. El Centro de gravedad es el lugar donde se concentra todo el peso del cohete. Es decir, hay tanto peso distribuido delante del centro de gravedad del cohete, como detrás de él. La ubicación de éste punto varía durante el vuelo del modelo, ya que conforme el motor va consumiendo su propelente el reparto del peso en todo el modelo va cambiando.

El margen de estabilidad de un cohete es la distancia existente entre el Centro de Presiones y el Centro de Gravedad. Por convención, la distancia mínima para considerarla como Margen de estabilidad, es una separación entre el Centro de Presión y el Centro de Gravedad igual al mayor diámetro del cuerpo del cohete.

A esta distancia mínima se la conoce como calibre.

Regla de estabilidad en un modelo de cohete.

“Un modelo de cohete será estable siempre que su Centro de Presiones esté situado por detrás de su Centro de Gravedad”.

En un cohete el Centro de Presiones debe estar situado hacia la cola, mientras que el Centro de Gravedad estará situado hacia el cono.

Objetivo:

Construir cohetes propulsados por agua para comprender el funcionamiento de varios principios físicos tales como:

-El principio de Pascal.

-El principio de acción o reacción (3ª ley de Newton).

-Leyes de movimiento como el tiro parabólico.

-Caída libre con rozamiento.

-Aerodinámica.

Materiales:

-Una botella de plástico de litro y medio

-Una bomba de aire para bicicletas

-Una rejilla

-Un tapón de bastón

-Cinta de aislar

Desarrollo

1ª Fase: El llenado de "combustible"

El cohete va a funcionar utilizando como "combustible", un líquido que propulsará el cohete, en nuestro caso, agua utilizando el principio de acción y

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