EL NOSTRE PRIMER COET

PROJECTE QUATRIMESTRE

COET HIDRÀULIC

Un coet d'aigua o hidràulic és un tipus de coet de modelisme que utilitza aigua com a propel·lent de reacció. La càmera de pressió, motor del coet, és generalment una ampolla de plàstic. L'aigua és llançada fora per la pressió, normalment aire comprimit, cosa que impulsa el coet segons la 3ª llei de Newton.

HISTÒRIA

Els coets impulsats per aire a pressió va sorgir l'any 1983 com a projecte fi de carrera a una universitat dels EUA. Des de llavors, el prototip de coet propulsat amb aigua ha anat guanyant popularitat fins a ser usat per la NASA a la recerca de nous talents per col·legis americans.

OBJECTIU DEL PROJECTE

Donar a conèixer el funcionament del coet hidràulic basant-se en els principis de la física, cercant la relació entre la teoria i la pràctica.

OBJECTIUS ESPECÍFICS

Fabricar un coet hidràulic amb eines casolanes on es posaran a prova la imaginació i la creativitat de l'estudiant.

Comprendre i aplicar a la fabricació del coet principis bàsics com:

El principi de Pascal.
El principi dacció o reacció (3a llei de Newton).
Lleis de moviment com el tir parabòlic.
Caiguda lliure amb fregament.
Aerodinàmica.

MARC TEÒRIC

Propulsió d'un coet d'aigua és la llei de la conservació de la quantitat de moviment, que és una altra manera de trucar a la 3a llei de Newton o principi d'acció-reacció. Aquest principi estableix que en absència de forces externes la quantitat de moviment d'un sistema, p, que és el producte de la seva massa per la seva velocitat, roman constant o el que és el mateix la derivada és igual a zero,

DP/DT = O

La propulsió del coet d'aigua es pot esquematitzar com un sistema en el qual es produirà l'expulsió cap enrere d'una part de la massa (l'aigua), cosa que provocarà una empenta que propulsarà la resta del sistema cap endavant (acció-reacció) , compensant-se la quantitat de moviment total del sistema. L'energia mecànica necessària per a l'expulsió d'aquesta fracció de massa s'emmagatzema al sistema com a energia potencial en forma de gas a pressió. Amb l'expulsió, aquesta energia s'anirà convertint en energia cinètica, les del moviment de l'aigua i el coet.

El principi que explica la propulsió d'un coet d'aigua és la llei de la conservació de la quantitat de moviment, que és una altra manera de trucar a la 3a llei de Newton o principi d'acció-reacció.

El coet no és res més que un recipient, una ampolla de plàstic que serà la que contingui l'aire que propulsarà el coet.

Per obtenir la pressió, es col·locarà un suro que fa de vàlvula. A més, es complementa amb alerons i con de fricció.

Cal aconseguir una ampolla de plàstic.

També buscar un tap de suro que s'adapti a la boca de l'ampolla, ni gaire solt ni massa gran. Es realitza un forat petit al tap que el travessi.

Per als alerons es pot fer servir fusta de bassa, cartró o un material similar lleuger.

Per fer volar el coet, cal aigua.

Principi físic

Suposem que es té un sistema senzill com el de la figura 4, constituït per dos mòbils units entre si a un moll que es manté comprimit. El sistema es troba en repòs inicialment, per tant el seu moment lineal és nul. A un cert punt s'allibera el ressort i es produeix el que s'anomena explosió. Com a resultat, tots dos cossos es mouen: el carret m1 es mou amb una velocitat v1 (amb un moment p1) i el carret de massa m2 es mou amb una velocitat v2 (amb un moment p2) . El moment lineal del sistema serà la suma vectorial de tots dos moments lineals. Com que la força neta total és nul·la, es conserva el moment lineal del sistema: Pabans=Pdesprés= 0. És a dir, la velocitat del centre de masses no canvia i, necessàriament, els moments lineals dels dos carrets han de ser iguals en mòdul i amb sentits oposats.

El nostre coet és un sistema anàleg (figura 5). Només cal pensar que el mòbil 1 és el fluid (aire i aigua) que hi ha dins de l'ampolla-coet (mòbil 2). I que en aquest cas l‟explosió es produeix per la sortida sobtada del fluid pressuritzat de l‟interior de l‟ampolla amb una velocitat v1. Necessàriament, haurà d'aparèixer un moment lineal p2 i una velocitat v2 a l'ampolla-coet, de manera que es verifiqui la conservació del moment lineal del sistema. En aquest cas el moviment és vertical i està actuant la força gravitatòria sobre el sistema, però ja que les forces internes són molt més grans que les externes durant l'explosió, podem considerar aquestes últimes menyspreables en aquests instants.

La figura 6 representa el llançament del transbordador espacial, que funciona de manera anàloga a un cotxe o un avió a reacció. En tots aquests casos, en existir propulsió contínua, el problema s'ha d'abordar tenint en compte la variació de massa (combustible) que es produeix al mòbil. L'explicació detallada del moviment produït en aquesta situació es pot trobar a les pàgines 10 i 11.

Tipus de llançament: (si es disposa de poc temps, passar directament a 3)

Només amb aire i sense estabilitzador: introduir aire a l'ampolla (sense haver posat aigua abans) amb l'afició fins a una pressió d'aproximadament 6 bars. El coet efectua girs en pujar i baixar. Arriba a una alçada màxima d'uns 10 m.

Amb aigua i aire i sense estabilitzador: introduir aigua a l'ampolla fins al nivell indicat, abans de tapar-la i col·locar-la a la plataforma de llançament. Introduir aire a l'ampolla fins a una pressió d'uns 3 bars i llançar. El coet efectua girs mentre puja i baixa. Arriba a una alçada màxima d'uns 30-40 m.

Amb aigua i aire i ampolla amb estabilitzador: Com en el cas anterior (2), però en aquest cas es col·loca l'estabilitzador (peça amb tub allargat) a sobre de l'ampolla abans d'introduir l'aire. El coet puja sense fer girs i arriba a una alçada d'uns 50 m.

Raonar amb els estudiants aquests detalls:

S'assoleix major altura en el cas 2 respecte a l'1 pel fet que el moment lineal del fluid (aigua amb aire) és més gran, ja que l'aigua té més massa respecte a la situació en què només hi ha aire a l'ampolla (fins i tot tenint més gran volum)

L'estabilitzador incrementa el moment d'inèrcia del coet, cosa que impedeix que una part de l'energia cinètica inicial de translació es converteixi en energia cinètica de rotació. Per això l'alçada en 3 és més gran que en 2.