Adaptación del manual de JAXA y NPL sobre construcción de cohetes de agua para enseñanza de STEM.

1. COHETERIA DE AGUA EXPERIMENTAL
La cohetería de agua se refiere a la experimentación en la construcción de
aparatos capaces de elevarse del suelo a partir de la aplicación de los principios
físicos.
La cohetería de agua, es una forma sencilla y de bajo costo para reafirmar
conocimientos en las áreas de matemáticas y física, además de servir como
herramienta para despertar el interés de los participantes por la tecnología
espacial.
Los cohetes modernos lanzados al espacio tienen mucho en común con los
cohetes de agua experimentales, de hecho, su funcionamiento se basa en las
mismas leyes físicas, por lo que el participante podrá experimentar la misma
emoción que un ingeniero espacial.

2. Pero, ¿qué es un cohete de agua?
Un cohete de agua es un artefacto construido a partir de al menos una botella de
plástico PET, al cual se le deben adicionar ciertos elementos que mejoren sus
características aerodinámicas para poder volar a cierta altura y hacerlo de forma
estable.
El cohete de agua más sencillo se compone de una botella para refresco que
puede ser de 2, 2.5 o 3 litros; es indispensable aclarar que se requiere que sean
botellas de refresco, ya que las botellas para agua no están diseñadas para
soportar las mismas presiones.

3. Además de la botella, tenemos que considerar unos elementos de estabilización,
para lo que utilizamos un juego de 3 o 4 aletas que servirán para hacer estable el
vuelo. Por otro lado, la base de nuestra botella es siempre del mismo diámetro que
el cuerpo, lo que implica que el aire “golpea” un área grande de la “cabeza” de
nuestro cohete, por lo que debemos entonces idear una manera de disminuir la
fricción en ese punto a partir de colocar una “nariz” que permita minimizar esta
fricción.
Otra parte importante en la cohetería de agua, es el medio lanzador del cohete, ya
que se requiere de una base capaz de soportar la presión del aire y agua
contenida en el cohete, a la vez que sirve para suministrar el aire a presión. Una
vez alcanzada la presión requerida, el lanzador deberá liberar el cohete para que –
si todo sale bien -, se eleve al cielo.
Consideraciones básicas de diseño de cohetes de agua.
Como ya habíamos mencionado previamente, la cohetería tanto real como de
agua experimental, se rige por las leyes físicas pero, ¿cuáles son estas?:

4. a) Primera Ley de Newton.
“Los objetos en reposo, permanecen en reposo, los objetos en movimiento,
permanecen en movimiento, mientras no se aplique en ellos una fuerza de
desbalance”
Y… ¿qué tiene que ver con los cohetes de agua?
Cuando se coloca el cohete en el lanzador. Las fuerzas están en balance, ya que
la superficie del lanzador empuja al cohete hacia arriba, mientras la gravedad lo
empuja hacia abajo. Cuando se presuriza el fluido dentro del cohete y se libera el
seguro del lanzador, las fuerzas aplicadas entonces están ahora desbalanceadas.
La pequeña abertura en el cuello del cohete permite el escape del fluido en una
dirección, y al hacer esto, provee al cohete de un impulso en dirección opuesta a
la salida del fluido, permitiéndole elevarse al cielo. Este impulso continua hasta
que la presión dentro del cohete empuja hacia afuera todo el fluido contenido
dentro del mismo.

5. b) Segunda Ley de Newton.
“La aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza aplicada
sobre él, e inversamente proporcional a la masa del objeto”.
Y… ¿qué tiene que ver con los cohetes de agua?
Como ejemplo podemos decir, que si aplicamos la misma fuerza, podemos lanzar
más rápido una pelota de beisbol que una pelota de basquetbol, esto debido a que
la pelota de beisbol tiene mucha menor masa que la de basquetbol.
Por lo anterior, para lograr que nuestros cohetes de agua alcancen grandes
alturas, necesitaremos considerar al menos lo siguiente:
 Minimizar la cantidad de masa (peso), de nuestro cohete, incrementará la
correcta aplicación de la fuerza sobre él.
 Sin embargo, hay que ser muy cuidadoso a la hora de minimizar el peso del
cohete, ya que si es demasiado ligero, perderá estabilidad tan pronto como
el agua contenida dentro sea expulsada en su totalidad.
 Entre mayor sea la masa del fluido contenido en el cohete (para este caso,
agua), y entre más rápido se expulse este fluido del cohete, mayor será el
impulso total aplicado al mismo.

6.  El incremento de la presión dentro de la botella producirá un mayor impulso.
Esto es debido a que una gran masa de aire comprimida dentro del cohete
escapará con una gran aceleración.
c) Tercera Ley de Newton.
“Para cada acción, siempre hay una reacción igual y opuesta”.
Y… ¿qué tiene que ver con los cohetes de agua?
Es simple: al igual que un globo lleno de aire, la botella de nuestro cohete está
presurizada, cuando lo liberamos, el fluido escapa de la botella, lo que provee de
una fuerza de acción, acompañada por una fuerza de reacción; todo esto resulta
en el movimiento del cohete en la dirección opuesta. Esencialmente, entre más
rápido se expulse el fluido de la botella y entre mayor cantidad de masa sea
expulsada, más grande será la fuerza de reacción del cohete.

7. Otras consideraciones en el diseño de cohetes de agua.
El problema de la estabilidad.
Cuando lanzamos una simple botella de 2 litros (o más), utilizada como cohete,
rápidamente pierde estabilidad y comienza a comportarse de manera errática tan
pronto como el agua es expulsada de la botella.
Para que nuestros cohetes alcancen alturas entre los 60 y 90 metros, es necesario
hacerlos aerodinámicamente estables durante el vuelo. Para incrementar la
estabilidad del cohete, hay dos principios que debemos entender:
 Centro de masa (CM)
 Centro de presión (CP)
El centro de masa (CM), en un cohete es fácil de encontrar: está dado por el punto
en el cuál el cohete está balanceado. Si atamos un hilo en el cohete y lo dejamos
que cuelgue del mismo, en el momento en que esté completamente horizontal sin
“cargarse” más hacia un lado, entonces habremos encontrado el centro de masa.
Es importante aclarar que el centro de masa podría o no tener relación con el
centro geométrico del cohete.
En el caso del centro de presión existe una mayor dificultad para encontrarlo. El
centro de presión solamente existe mientras el aire fluye alrededor del cohete en
movimiento. El centro de presión es definido como el punto a lo largo del cohete
donde al colocar un “pivote” y entonces sostener el cohete con el paso del aire
perpendicular a ese pivote, la fuerza del aire en cada lado del centro de presión es
la misma.

8. Este principio es similar al de una veleta. Cuando el viento mueve la veleta, la
flecha de ésta apunta en dirección del viento, debido a que el área de la “cola” de
la veleta es mucho mayor de la de la flecha al frente de la veleta.
En un cohete, el propósito de las aletas es el de tener una superficie lo
suficientemente grande para permitir que la nariz del cohete siempre apunte hacia
el frente en el sentido del viento. Si las aletas fuesen colocadas cerca de la nariz,
la nariz cambiaría posición cíclicamente con la cola, haciendo que el resultado sea
desastroso.
La relación entre el centro de masa y el centro de presión.
Para lograr que un cohete tenga un vuelo estable, el centro de masa debe estar
ubicado siempre al frente del centro de presión. Es necesario entonces que el
centro de presión esté localizado cerca de la cola del cohete y que el centro de
masa este ubicado cerca de la nariz del mismo. Para lograr esto, debemos tomar
en consideración lo siguiente:
 Adicionar aletas proporciona una mayor superficie de contacto en la parte
de la cola del cohete. La fuerza del viento aplicada entonces a la cola se
incrementará, propiciando que el centro de presión se acerque a la cola. De
hecho esa es la función de las aletas. Entre más grandes sean las aletas,
más cerca de la cola estará el centro de presión.
 Adicionando peso a la nariz del cohete, lograremos mover el centro de
masa más cerca de la nariz. Este peso puede ser añadido fácilmente al
utilizar plastilina. Es importante que no se adicione mucho peso ya que esto
puede hacer que el cohete no se eleve lo suficiente.
 Entre más largo sea el cohete, más estable será el vuelo. Por supuesto,
entre más largo el cohete, mayor será el peso, por lo que se deberá
incrementar el impulso para poder compensar el peso extra.

9.  Esencialmente, se puede decir que se requiere minimizar el peso del
cohete pero sin comprometer su estabilidad.
Tamaño de la boquilla (cuello de la botella –tobera-).
En este punto debemos recordar que el impulso del cohete terminará justo cuando
la totalidad del fluido dentro de la botella sea expulsado. La boquilla de la botella
puede reducirse utilizando boquillas prefabricadas o un corcho.
Razones que tomar en cuenta a la hora de determinar el tamaño de la boquilla:
 Una boquilla amplia produce un gran impulso, sin embargo, este impulso
dura muy poco tiempo.
 Una boquilla reducida no proporciona un gran impulso, pero ese impulso
dura mucho más tiempo. Debido a este bajo impulso, se hace necesario
entonces tener un cohete que sea estable a bajas velocidades.
 Los lanzamientos con boquillas reducidas son más lentos, son menos
ruidosos, son más seguros y se ven mucho mejor.

10.  Una boquilla amplia mantendrá estabilidad y aumentará la velocidad.
Relleno de agua en el cohete.
Definitivamente, cuando se coloca agua en el cohete, el efecto de la masa queda
demostrado. Debido a que el agua tiene una masa mucho mayor que el aire, es
como puede contribuir a obtener un mayor impulso (2ª. Ley de Newton). Un cohete
lleno con agua volará más lejos que uno lleno solo con aire. Si variamos la
cantidad de aire y agua en el cohete y realizamos una gráfica de qué tan alto
vuela, podremos observar que el impulso del cohete depende de la masa que está
siendo expulsada a través de la boquilla y de su velocidad de expulsión.
La mejor forma para determinar la cantidad de agua de relleno en nuestro cohete
es realizar 3 o 4 pruebas con diferentes cantidades y graficar la altura obtenida.
Una cantidad conservadora es utilizar el 30% de relleno de agua y 70% de aire a
presión.
Presión.
Podemos utilizar una bomba de aire para bicicleta o un pequeño compresor para
automóvil con la finalidad de aumentar la presión del aire contenido en el cohete,
lo que aumentará el impulso disponible para que nuestro cohete se eleve por el

11. aire. Una presión segura de utilizar para botellas PET de refresco está en el orden
de los 100 PSI.
Arrastre –resistencia- del aire.
Durante el movimiento del cohete a través del aire, la fricción entre la superficie
del cohete y el aire empujarán hacia abajo. Debido a las altas velocidades que
estos cohetes pueden alcanzar, la resistencia del aire llega a ser una fuerza muy
significativa. Para reducir esta resistencia, el cohete deberá diseñarse de tal forma
que el aire que pase sobre la superficie del cohete lo haga en líneas suavizadas,
reduciendo el arrastre al mínimo.
Con la finalidad de minimizar el arrastre debido a la acción del aire, es
recomendable también considerar aletas delgadas y afiladas, así como toda la
superficie del cohete debe ser de contornos suaves.
Aletas.
Sin aletas, el cohete no podrá volar en línea recta. Se recomienda colocar al
cohete de 3 a 4 aletas distribuidas en el perímetro del cuello. Debemos recordar
en este punto que entre más grandes sean y más atrás estén colocadas las aletas,
más atrás estará el centro de presión, obteniendo con ello mayor estabilidad.

12. Si las aletas se colocan ligeramente anguladas, entonces se obtendrá un efecto
“spin”, por lo que el cohete girará sobre su eje, haciendo más recto y estable su
vuelo, pero disminuyendo un poco su impulso; tal como sucede al lanzar un balón
de futbol americano.
Nariz.
Un cohete de agua puede o no tener algún medio de recuperación o protección
contra impactos. La nariz puede ser realizada utilizando una pequeña pelota de
beisbol, una botella rellena con una bolsa, o bien se puede colocar un paracaídas.
Todo dependerá del diseño y sello característico que se le quiera agregar al
cohete.
Más adelante abordaremos el tema de los tipos y usos de cohetes de agua, así
como los medios de recuperación del mismo y la elaboración de los lanzadores.
P.T. Israel Téllez González
Septiembre de 2013.
Traducido, adaptado y rediseñado a partir de:
JAXA. Water Rocket Educator’s Guide. Marzo, 2008.
Serco and National Physical Laboratory. Water Rockets, Guide to Build and
understand. Junio, 2007.
Imágenes:
JAXA.
Serco.
NPL.