Cohetes de agua como recurso educativo: desde la motivación científicotecnológica hasta la participación en un concurso

Cálculo del coeficiente de arrastre

Cohetes de agua como recurso educativo: desde la motivación científico-tecnológica en aula hasta la participación del

alumnado en un concurso en Castellón

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Túnel de viento

• Para el cálculo del coeficiente de arrastre (𝐶𝐷) se coloca el cuerpo a medir en el interior de un túnel de viento.

• Cuando el viento incide sobre el cuerpo, ejerce sobre él una fuerza 𝐹𝐷, provocando un momento (𝑅 × 𝐹𝐷) sobre la báscula de medida.

• Para medir la fuerza, hay que mover las pesas hasta que la balanza esté equilibrada.

• En esa posición, leemos el valor en el que se encuentran las pesas, que coincide con el valor de la fuerza en Newtons.

𝐹𝐷

𝑅

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Túnel de viento

• A partir de la fuerza medida podemos obtener el coeficiente de arrastre (𝐶𝐷) con la siguiente fórmula:

𝐹𝐷 =1

2∙ 𝐶𝐷 ∙ 𝜌 ∙ 𝑆 ∙ 𝑣2

• Conocemos la densidad del aire (𝜌) y la velocidad del viento (𝑣) la seleccionamos en el túnel.

• 𝑆 es el área del cuerpo proyectada en la dirección del viento.

𝐹𝐷

𝑅

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Medidas: Botella Coca-Cola

• Se ha hecho un soporte para la botella y se ha introducido en el túnel.

• Se ha calculado el coeficiente de arrastre para distintas velocidades y se ha visto que no varía mucho dentro del rango de velocidades de ascensión entre las que se mueve el cohete.

• Se ha concluido que 𝐶𝐷 = 0,44.

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Medidas: Botella Coca-Cola con caperuza

• Después se ha hecho la prueba con una caperuza hecha con la parte superior de la botella de Coca-Cola.

• Las fuerzas medidas no varían excesivamente respecto de las medidas en el caso anterior.

• Se ha concluido que 𝐶𝐷 = 0,46.

Caperuza

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Medidas: Botella Coca-Cola con alas y cola

• Se ha añadido unas alas que aumentan relativamente poco el coeficiente de arrastre, debido a su poco espesor.

• Además se ha añadido una cola para suavizar la parte posterior del cohete.

• Hay que recordar que la mayor parte de las perdidas provocadas por el arrastre se deben a la forma de evacuar el aire, es decir, a la forma de la cola.

• La cola se ha fabricado utilizando otra botella, cuya forma resulta muy adecuada al suavizar la salida del aire de la superficie del cohete.

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Medidas: Botella Coca-Cola con alas y cola

• Se ha introducido este nuevo cohete en el túnel de viento para calcular el coeficiente de arrastre.

• Si las alas fuesen muy grandes se tendría que medir el coeficiente de arrastre del ala por separado.

• En este caso sí que se nota una reducción significativa en las fuerzas medidas sobre el cohete.

• El coeficiente de arrastre resulta aproximadamente de 0,35.

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Conclusiones

• A primera vista, puede parecer que la botella con caperuza tiene menor coeficiente de arrastre y esto es así si la caperuza tiene la forma correcta.

• En nuestro caso el tapón aumenta considerablemente el coeficiente de arrastre, debido a su forma casi plana. También por culpa del resalto que tiene, que provoca la aparición de remolinos.

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Conclusiones

• La forma de la botella de Cocacola se asemeja en parte a una semiesfera.

• Por este motivo, no tiene un mal coeficiente de arrastre.

• Si se añade una caperuza hay que intentar que se asemeje a una esfera. Una mala caperuza puede empeorar el coeficiente de arrastre.

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Conclusiones

• El coeficiente de arrastre sin alas, ni cola, no varía excesivamente, de una caperuza a otra.

• Así pues aproximadamente vemos que el coeficiente de arrastre de un Water Rocket sin alas, ni cola, se encuentra sobre 0,45.

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Conclusiones

• El coeficiente de arrastre sin alas, ni cola, no varía excesivamente, de una caperuza a otra.

• Así pues aproximadamente vemos que el coeficiente de arrastre de un Water Rocket sin alas, ni cola, se encuentra sobre 0,45.

• Vemos que al añadir la cola el coeficiente de arrastre ha bajado considerablemente (𝐶𝐷 =0,35).

• También se ve que las alas, si son delgadas, no afectan de forma apreciable al coeficiente de arrastre.

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