FISICA DE FLUIDOS Y TERMODINAMICA

MAURICIO MEDINA SIERRA

CODIGO: 3301

DIURNA

UNIVERCIDAD ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES

FISICA DE FLUIDOS Y TERMODINAMICA

BOGOTA D.C

2015

Objetivo general

Diseñar un cohete hidráulico con materiales reciclables, aplicando todos los conceptos de física mecánica y física de fluidos y termodinámica. Con el fin de aplicar conceptos teóricas a un proyecto tangible donde la medición y cálculos se puedan demostrar no solo en un papel y si no en un escenario propuesto.

Objetivos específicos

Estudiar a profundidad concepto de física mecánica ( tiro semiparabolico, leyes de newton, fuerzas, magnitudes fundamentales)

Aprender, comprender y desarrollar con habilidad teorías y ecuaciones planteadas para fluidos (pascal, Bernoulli, ecuación de continuidad, entre muchos otros.)

Comprender los conceptos de aerodinámica. Aprender historia y antecedentes de los cohetes hidráulicos Entender la Estructura y partes de los cohetes. Desarrollar y entender todo lo relacionado con tiro parabólico como parte

fundamental del proyecto propuesto.

El cohete de agua

Básicamente, un cohete de agua es un tipo de cohete (en este caso utilizamos una botella) que se ve impulsado por la presión del agua, algo bastante sencillo y fácil de realizar pero que nos ofrece una diversión increíble. Además, con este experimento todo se desarrolla de forma tal que se cumple la tercera ley de Newton. Echémosle un vistazo al asunto.

Cómo funciona el cohete de agua

Los cohetes funcionan bajo el principio de acción y reacción. De forma sencilla, lo que haremos será generar presión dentro de la botella introduciendo aire en su interior. Esta presión llega a un límite (el límite de la botella) y cuando esto ocurre, esa presión va a salir por algún lado. El corcho es la parte más débil del cohete así que será la salida de escape.

De esta manera, toda la presión se verá liberada por el orificio de la botella con un impulso muy veloz, así que tengan cuidado con el lugar al que apuntan la botella. Saldrá mucha agua, por lo cual será mejor realizar el experimento en un lugar abierto, nunca en el interior de una casa.

ANTECEDENTES

Un cohete no es más que un cilindro, abierto por uno de sus extremos y relleno de una sustancia combustible. La propulsión es posible gracias a la rápida combustión de dicha sustancia. El cohete avanza debido al llamado principio acción-reacción, formulado por Isaac Newton en su teoría de gravitación universal, el cual afirma que a toda acción, se opone una reacción de igual magnitud y de sentido contrario. Históricamente el cohete tiene sus orígenes con el descubrimiento de la pólvora por los antiguos alquimistas chinos y sus aplicaciones para distintos tipos de armas derivaron el desarrollo de los cohetes o "proyectiles de fuego" (huopao) a partir delsiglo XI. Entre los siglos X y XIII, los mongoles y árabes llevaron a Occidente el principal componente de sus primeros cohetes: la pólvora (una mezcla compuesta por 75% de nitrato de potasio, 15% de carbono y 10% de azufre). Ésta fue usada por los europeos en inventos como el cañón y la pistola, así como en cohetes bélicos, que llegaban a volar una distancia de hasta seis kilómetros. Sin embargo el verdadero inicio de la cohetería se remonta al siglo XIX con KonstantinEduardovitchTsiolkovsky, profesor de matemáticas y física ruso, quien contribuyó teóricamente al desarrollo de la astronáutica. Tsiolkovski hizo un análisis de gran partede los aspectos técnicos del vuelo espacial en sus obras “Sueño de la tierra y el cielo” y “La exploración del

espacio cósmico mediante aparatos de reacción”. “El estudioso ruso exploró incluso los problemas relativos a la aceleración sugiriendo por vez primera el uso de cohetes plurifase para alcanzar la velocidad de fuga y anticipando también el desarrollo de las estaciones y de las colonias espaciales. ”En otra parte del mundo, Robert Goddard, norteamericano, estudió sobre la dinámicade los cohetes. En su obra “Un método para alcanzar grandes alturas” postuló la idea de construir un cohete de combustible líquido. Goddard inicio así la experimentación con cohetes de este tipo.” Aunque apenas voló 2,5 segundos, recorriendo 56 metros auna velocidad media de 103km/h, marcó el inicio de una larga serie de experiencias que llevó acabo hasta la Segunda guerra mundial...”La construcción de cohetes se formalizó con Werher Von Braun, prusiano nacido en1912 que se inicio como constructor de cohetes experimentales. Construyo varios modelos que inicialmente eran financiados por la Luptwaffe, que tenía como interés principal dotar a sus aviones con mísiles balísticas. Cohetes de agua Las botellas de polietileno tereftalato (PET) para bebidas gaseosas, que es el material que se utiliza generalmente para fabricar cohetes de agua, fueron empleadas por primera vez en 1974 en los Estados Unidos de América y su uso aumentó rápidamente a medida que se difundían entre los consumidores. Posiblemente, el primer material impreso acerca de la construcción de cohetes de agua con botellas de PET apareció en la edición de agosto de 1983 de la revista estadounidense “Mother Earth News”.

Marco teórico

Tema EspecificaciónPrincipio de pascal La presión ejercida sobre la superficie de un líquido

contenido en un recipiente cerrado se transmite a todos los puntos del mismo con la misma intensidad.

Movimiento rectilíneo Un movimiento es rectilíneo cuando un móvil describe una trayectoria recta, y es uniforme cuando su velocidad es constante en el tiempo, dado que su aceleración es nula.

El movimiento rectilíneo uniformemente

También conocido como movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV), es aquel en el que un móvil se desplaza sobre una trayectoria recta estando sometido a una aceleración constante.

Un ejemplo de este tipo de movimiento es el de caída libre vertical, en el cual la aceleración interviniente, y considerada constante, es la que corresponde a la gravedad.

También puede definirse como el movimiento que

realiza una partícula que partiendo del reposo es acelerada por una fuerza constante.

caída libre En física, se denomina caída libre al movimiento de un cuerpo bajo la acción exclusiva de un campo gravitatorio. Esta definición formal excluye a todas las caídas reales influenciadas en mayor o menor medida por la resistencia aerodinámica del aire, así como a cualquier otra que tenga lugar en el seno de un fluido; sin embargo, es frecuente también referirse coloquialmente a éstas como caídas libres, aunque los efectos de la viscosidad del medio no sean por lo general despreciables.

movimiento parabólico Se denomina movimiento parabólico al realizado por un objeto cuya trayectoria describe una parábola. Se corresponde con la trayectoria ideal de un proyectil que se mueve en un medio que no ofrece resistencia al avance y que está sujeto a un campo gravitatorio uniforme.

semiparabolico El movimiento de parábola o semiparabolico (lanzamiento horizontal) se puede considerar como la composición de un avance horizontal rectilíneo uniforme y la caída libre de un cuerpo en reposo.

El movimiento semiparabolico es el movimiento horizontal que realizan diferentes objetos, el ejemplo más claro de este movimiento es el lanzamiento de un proyectil, parte con una velocidad 0.

potencia En física, potencia (símbolo P) es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo.

Si W es la cantidad de trabajo realizado durante un intervalo de tiempo de duración Δt, la potencia media durante ese intervalo está dada por la relación:

tensión La tensión T es la fuerza que puede existir debido a la interacción en un resorte, cuerda o cable cuando está atado a un cuerpo y se jala o tensa. Esta fuerza ocurre hacia fuera del objeto y es paralela al resorte, cuerda o cable en el punto de la unión.

torque En mecánica newtoniana, se denomina momento de una fuerza (respecto a un punto dado) a una magnitud (pseudo)vectorial, obtenida como producto vectorial del vector de posición del punto de aplicación de la fuerza (con respecto al punto al cual se toma el momento) por el vector fuerza, en ese orden. También se denomina momento dinámico o sencillamente momento.

Leyes de newton Primera ley de Newton o ley de la inerciaSegunda ley de Newton o ley de fuerzaTercera ley de Newton o principio de acción y reacción

Presión hidrostática PRESION HIDROSTATICASe describe como presión al acto y resultado de comprimir, estrujar o apretar; a la coacción que se puede ejercer sobre un sujeto o conjunto; o la magnitud física que permite expresar el poder o fuerza que se ejerce sobre un elemento o cuerpo en una cierta unidad de superficie.

TEOREMA DE TORRICELLIECUACIÓN DE TORRICELLI El teorema de Torricelli o principio de Torricelli es

una aplicación del principio de Bernoulli y estudia el flujo de un líquido contenido en un recipiente, a través de un pequeño orificio, bajo la acción de la gravedad.

PRESIONLa presión (símbolo p) es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea.

Cuando se ejerce una fuerza sobre un cuerpo deformable, los efectos que provoca dependen no sólo de su intensidad, sino también de cómo esté repartida sobre la superficie del cuerpo.

ECUACIÓN DE CONTINUIDAD La conservación de la masa de fluido a través de dos secciones (sean éstas A1 y A2) de un conducto (tubería) o tubo de corriente establece que: la masa que entra es igual a la masa que sale.Q1=Q2A1V1=A2V2

CAUDAL En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que circula a través de una sección del ducto (tubería, cañería, oleoducto, río, canal,…) por unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

Pasos

1.

1Prepara dos botellas PET (politereftalato de etileno) de 1250 ml.Anuncio

2.

2Corta una de las botellas en tres partes. Guarda la sección superior y la sección media de la botella.

3.

3Une la parte superior de la botella a la parte posterior de la otra botella PET.

4.

4Adhiere la sección media de la primera botella en la parte superior de la segunda botella. (Usa la cinta aislante).

5.

5Corta cuatro tablas de acrílico como si fuesen las cuatro aletas del cohete.

6.

6Echa alrededor de 200 ml de agua en la botella.

7.

7Coloca el cohete en el inflador listo para despegar.

8.

8Coloca el cohete en la zona de despegue.

9.

9Bombea aire dentro de la botella.

10.

10Asegúrate que la presión atmosférica dentro de la botella sea alrededor de 70 y 75%.

11.

TABLA DE MATERIALES COHETE

MATERIALES CANTIDADBOTELLA 2CINTA 1TIJERAS 1BOMBA DE AIRE 1OCTAVOS DE ACETATO 3TABLAS DE DIBUJO 2TUBO DE PVC 1CODO PVC 1

Pruebas

Cantidad de agua Cantidad de aire echados por la bomba

Distancia (TIROS)

200ml 2 1200ml 3 2200ml 4 3

CONCLUSIONES

-Conclusiones para las pruebas se decidió tomar el tiro 2 se aproximaba bastante a la línea central

-No siempre con base a las pruebas se llega a un mismo resultado, no se puede controlar gran parte de las variables que se presentan a la hora de la competencia

-las bases teóricas no fueron tan precisas como se esperaba, a la hora de las pruebas y competencia no fueron de gran ayuda pero se cumplieron a cabalidad.

-se aprendió que la teoría se tiene que ver de diversas manejas, manejarlas con gran dominio como función de un ingeniero ya que por experiencia propia con este proyecto por la falta de profundización de estas no se llego a aprovechar a un 100% como deberían de utilizarse

-los alerones son de gran importancia a la hora del lanzamiento ya que le daban la dirección

-no se recomienda los alerones muy largos para los cohetes ya que lo desestabilizan dándole una mala dirección, es mejor utilizar algunos pequeños situados a diferentes lugares del cohete que sean muy resistentes.

- es importante colocar cierto peso en la cabeza del cohete ya que este le da más precisión y permite una mejor percepción a la hora tomar algunos cálculos. Como la cantidad de aire.

-por ultimo considero que los cohetes con las válvulas que permiten la retención del aire y que después de un tiempo se sale por la presión no son los más precisos al menos para este tipo de prueba. Ya que muchas veces se demora para salirse y lanzan muy lejos el cohete al menos fue lo que pude concluir con los proyectos de otros compañeros

Bibliografía

-http://www.experimentoscaseros.info/2013/05/como-hacer-un-cohete-de-agua.html

-http://es.wikihow.com/hacer-un-cohete-de-agua

-https://2mp.conae.gov.ar/descargas/Materiales%20/Cohetes_de_Agua-Manual_del_Educador.pdf