Explicaciones de los procesos"Leyes de Newton"

Durante el despegue del cohete es aplicada la primera Ley de Newton que menciona lo siguiente:

-En ausencia de fuerzas opuestas, si ninguna fuerza actúa sobre un objeto en reposo o moviéndose a una velocidad constante, este continúa haciéndolo de manera continua   

-En ausencia de fuerzas opuestas, si una fuerza actúa sobre un objeto en movimiento o moviéndose a velocidad constante, este se acelera en la dirección de la fuerza.
-La aceleración de tal objeto está limitada por su propia resistencia al movimiento, a lo cual Newton le llamó inercia.
-Si la resistencia al aire puede ser ignorada, un objeto ligero cae tan rápido con uno del doble de peso. Newton propuso que la razón era que aunque la fuerza de gravedad sobre el objeto más pesado (su peso) era  el doble de grande, también lo era su inercia. 

En términos actuales, podemos decir que ambos, peso e inercia son proporcionales a la masa del objeto, o sea, la cantidad de materia que contiene.

La Segunda Ley de Newton

 De acuerdo a la segunda ley de Newton, la aceleración de un objeto es proporcional a la fuerza F actuando sobre ella e inversamente proporcional a su masa m. Expresando F en newton obtenemos a--para cualquier aceleración, no solamente para la caída libre.

El hecho que la aceleración se incremente al irse quemando el combustible es particularmente importante durante los vuelos espaciales tripulados, cuando la carga incluye a astronautas vivientes. Al darle al cuerpo de un astronauta una aceleración de 7 g, este experimentará una fuerza de hasta 8 veces su peso (la gravedad aún contribuye), creando una tensión excesiva (3–4 g es probablemente el límite sin trajes especiales). Es difícil controlar el empuje de un cohete, pero un cohete de varias etapas puede desprender la primera etapa antes de que a se haga demasiado grande, y continuar con un motor más pequeño. De lo contrario, tal y como ocurre con el transbordador espacial y el cohete Atlas original, algunos motores de cohetes se apagan o desprenden, mientras que los otros continúan operando. 

Tercera ley de Newton.

En todos los cohetes, los gases de combustión están formados por propelente, el cual se lleva en el interior del cohete antes de su liberación. El empuje de los cohetes se debe a la aceleración de los gases de combustión

Muchos de los cohetes actuales obtienen su empuje de reacciones químicas (motor de combustión interna). Un motor cohete químico puede usar propelente sólido, líquido o una mezcla de ambos. Una reacción química se inicia entre el combustible y el oxidante en la cámara de combustión, y el resultado son los gases calientes que se aceleran a través de una tobera (o toberas) en la parte final del cohete. La aceleración de estos gases a través del esfuerzo del motor (empuje) en la cámara de combustión y en la tobera, haciendo que el vehículo se mueva (de acuerdo con la tercera Ley de Newton , que se puede enunciar formalmente así:"Las fuerzas siempre ocurren en pares. Si el objeto A ejerce una fuerza F sobre el objeto B, entonces el objeto B ejerce una fuerza igual y opuesta -F sobre el objeto A"

o en forma común:  "Cada acción tiene una reacción igual y opuesta").

El cohete con frecuencia se compara con el motor a chorro como método de producción de energía. Tiene algunas ventajas específicas sobre la turbina de gas:

1.  Puede desarrollar la potencia máxima  a la velocidad cero.

2.  No “respira aire” como todas las turbinas de gas o motores a chorro.

3.  Puede desarrollar relaciones de empuje altamente mayores.

Estas características han hecho que el cohete sea el método principal de impulsión en viajes más allá de la atmosfera terrestre. El cohete tiene una ventaja especifica al compararlo con otras maquinas térmicas, por que el cohete no es en realidad un dispositivo cíclico; esto es, no es una maquina térmica, sino un dispositivo que ejecuta procesos que nunca al motor a su estado inicial. Esto quiere decir que el cohete no necesita limitarse a la segunda ley de la termodinámica; puede producir trabajo solo con un intercambio de calor. Esto es exactamente lo que se hace, los procesos son dos: quemado de un combustible (solido o liquido), que en el caso normal se hace a presión constante, y expansión de los gases calientes de escape atraves de una tobera. En el caso ideal, esa expansión es reversible y adiabática.    

Cohete practico

Los cohetes experimentales son dispositivos de prestaciones extremas que desarrollan elevados trabajos en su estricta definición física.

El diseño está condicionado por los costes de desarrollo, la minimización del riesgo, la accesibilidad, la escalabilidad y la productividad. Se pretende, en definitiva, optimizar los costes de series basadas en el mismo calibre o diámetro.

Los modelos numéricos, los programas de diseño y los cálculos reiterativos, abaratan costes y ahorran tiempo. Todo estudio de un comportamiento, resulta siempre previsor y productivo, ahorrando esfuerzos inútiles hacia direcciones equivocadas.

Un cohete estándar presenta un cuerpo cilíndrico ya que estos presentan una fuerza y una resistencia muy alta, ya que las fuerzas que actúan sobre el, en vuelo, se reparten por todo el fuselaje al ser cilíndrico, como en un submarino, de cualquier manera se han hecho cohetes de diferentes formas como cuadrados, triangulares, hexagonales, pentagonales, y así con todas las caras. Ya vimos el despegue, bueno pero para que el cohete se estable en vuelo, es decir siga una trayectoria en línea recta y sea seguro, debe tener 3 cualidades importantísimas:

 Tener el Centro de Gravedad, por delante del Centro de Presión, poseer aletas, poseer una ojiva

 Bien, el CG, es el lugar en donde se concentra la masa del cohete (peso), o el punto de equilibrio, es decir donde el cohete se balanceará. Para poder ubicar el CG, tomamos una regla y apoyamos el cohete en el filo de la misma, lo movemos, hasta que queda  balanceado y ya ubicamos el CG; por convención el CG es el siguiente:

  Bueno ahora el más difícil es el CP, esto es un punto. Es el lugar donde todas las fuerzas aerodinámicas se concentran, lo que significa que la suma de todas las fuerzas aerodinámicas que actúan por delante de este punto es igual a la suma de las que actúan por detrás. Si este se encuentra por delante del CG, un cohete no podrá volar perfectamente y hará piruetas en el aire. El CP:

Para que un cohete sea estable, es decir que siga una trayectoria en línea, su Cp tiene que estar debajo de su cg (Centro de Gravedad), ya que si no describiría una trayectoria errática e impredecible.

Peso del cohete y Centro de gravedad:

Antes de determinar el peso y CG del cohete tenemos que definir completamente nuestro cohete.

Definiciones de nuestro cohete son el espesor del fuselaje y peso del, peso de las respectivas partes como sistema de iniciado del paracaídas, porta paracaídas etc.

Medidas, tenemos de determinar las medidas para las diferentes partes del cohete.

El material del fuselaje y cilindros es una botella ya que es un material que tenemos fácil de conseguir (ya que aprovechamos que hay multitud de diámetros y espesores, es un material fácil de moldear)

Lo mejor para desarrollar estas medidas, es crear otra hoja de cálculo de tal forma que dándole los diámetros interno y externo de un cilindro, te calcule el volumen de material, y te lo multiplique por la densidad de dicho material que le hemos introducido; esto combinado con las respectivas ecuaciones del CG, y “probando” vamos seleccionando las medidas que mas nos gustan y que mayor margen nos dejan para un futuro. O como nosotros comprobamos tarde, con un programa como el Rock Sim 7.0 o parecidos, programas de diseño tridimensional complementado con funciones que les puedes dar a través de hojas de calculo, podemos simular a la vez, el Cp, el CG, vistas tridimensionales del cohete, planos del mismo, incluso simulaciones de vuelo.

Aletas

El propósito de colocar aletas en un cohete es proporcionar estabilidad durante vuelo, es decir, para permitir que el cohete mantenga su orientación y trayectoria de vuelo prevista. Si un cohete fuera lanzado sin las aletas, pronto comenzaría a caer después de dejar la rampa de lanzamientos, debido a la manera que las fuerzas aerodinámicas y otras (tales como viento) actúan sobre el cohete, en lo referente a las fuerzas que son ejercidas sobre el cohete por el motor y por la gravedad.

 En el modelismo espacial, la construcción de las mismas se lleva a cabo con madera balsa, que es un elemento relativamente económico, resistente, fácil de conseguir, maniobrable y biodegradable.

En un cohete se pueden poner 3, 4 o mas aletas, pero hay que tener en cuenta que la altura que alcance el mismo, disminuirá, si tenemos muchas aletas, porque el cohete al tener mayor superficie, la resistencia del aire al paso del mismo será mayor a la de un cohete con menor superficie, por lo general colocar tres fins, es lo esencial, ya que un cohete con eso basta, pero si vemos que el cohete va a alcanzar grandes aceleraciones, velocidades y alturas, es recomendable el uso de cuatro o mas ya que la estabilización será mejor.