Cálculo y diseño de cohetes de agua como proyecto didáctico integrador en mecánica de los fluidos

Abstract

La operación del cohete de agua consiste en expeler un chorro de agua desde la tobera del cohete usando aire comprimido alojado en su interior. Al apuntar hacia el cielo la gravedad naturalmente estratifica el contenido del cohete de modo tal que el aire no podrá escapar sin antes haber empujado toda el agua fuera de la cámara interior, así la energía acumulada en el aire, es eficientemente transformada en energía cinética del chorro de salida de agua, cambiando su cantidad de movimiento y por la 3º ley de Newton empuja el cohete hacia arriba. Al buscar alcanzar la mayor distancia posible, debido a su baja densidad el empuje provisto solo por aire resulta despreciable, mientras que un cohete cuya cámara esté completamente llena de agua, no puede ser presurizada y no habrá energía almacenada para convertir en cinética, resultando el problema en uno de optimización. Las ecuaciones de la dinámica que gobiernan el movimiento incluyen la resistencia, el empuje, (funciones de la velocidad desarrollada y de salida respectivamente), y el peso que varían en el tiempo, convirtiendo la ecuación diferencial del movimiento en una de segundo orden no homogénea de coeficientes no constantes. La no linealidad del problema de dinámica presentado y el acoplamiento de las variables en las ecuaciones que lo gobiernan hacen que sea sumamente apropiado también para introducir métodos numéricos de cálculo, simulación y permitiendo la corroboración de su validez mediante la experimentación.