Razzi ad acqua 2 [lunghetto]

Replico su it.scienza e su it.hobby.modellismo questi post gia' inviati su it.scienza.fisica, dove non ho avuto grandi soddisfazioni:

------------------------------------------------ 17/02/05

Un simpatico hobby, economico e postmoderno, diffuso in Europa, e' quello di costruire dei razzi da giardino *ad acqua* utilizzando le bottiglie di plastica dell'acqua minerale (!). Esse vengono spesso dotate di alette stabilizzatrici, dipinte come i missili, riempite per circa un terzo di acqua e per il resto di aria compressa, ottenuta con una normale pompa da bicicletta, fino al limite dello scoppio.

La propulsione e' ottenuta prima con l'espulsione dell'acqua, poi con quella dell'aria compressa residua. I risultati sono spesso al di sopra delle aspettative.

Quello che vorrei chiedere qua e' se qualcuno mi aiuta ad analizzare il tutto, con qualche formula o addirittura abbozzando un modello matematico, analitico o numerico. L'obiettivo e' quello di ottimizzare il razzo. Ad es.: qual e' il miglior rapporto tra quantita' d'acqua e quantita' d'aria? Oppure: il collo della bottiglia e' gia' ottimizzato come ugello di scarico o conviene restringerlo e/o modellarlo in forma opportuna? Ha senso aggiungere altri materiali oltre l'acqua e l'aria? Ecc.

I numeri potrebbero essere:

- volume totale: 1500 cc

- peso del razzo senza propellente: 30..200 gr

- peso dell'acqua: ~500 gr

- peso dell'aria compressa: ~10 gr

- sezione trasversale: ~50 cm2

- pressione: 6 hkP

- Cx... buono.

Qua c'e' qualche link:

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Ciao

------------------------------------------------ 19/02/05

Vabbeh, visto il grande successo del thread, comincerò io a dire qualche stupidaggine, così magari mi corrigirete.

Partiamo dalla dinamica dell'espulsione dell'acqua:

[Per vedere l'ascii-art usare caratteri fissi. Con OE: Visualizza... Carattere... Fisso]

_______________ | | | | | | | | | Aria | | compressa | | | | | | | | | | P | | | |---------------| --- | S | | | | | h | H2O | | | |_____ _____| ___ | | | A |

P=pressione media dell'aria S=area sez. del razzo A=area sez. dell'ugello h=altezza H2O

Supponiamo di tenere il razzo ancorato alla rampa e di trascurare l'effetto della gravità sul moto dell'acqua e tutti gli attriti.

L'energia potenziale E=P*S*h si trasformerà completamente in energia cinetica del cilindro d'acqua estruso di sezione A e lunghezza L=h*S/A e massa m=h*S*D con D=densità dell'acqua=1000kg/m3

Tale energia cinetica varra' E=(1/2)*m*v^2 da cui ricaviamo la velocità v=sqr(2E/m). Mi sembra di capire che l'acqua espulsa raggiungerà la velocità v con una certa accelerazione all'interno della sagomatura dell'ugello, per cui la sua forma deve avere una certa importanza.

Questa velocità, se non altro, mi permette di calcolare il tempo di espulsione dell'acqua, pari a t=L/v.

Ora dovrei calcolare la spinta, ma non so come fare. Posso considerare che l'acqua sia accelerata a velocità v nel tempo totale t=L/v? Alcune pagine web dicono che la spinta vale F=2*P*A ma non so come la ricavino. (vedi nota 1)

Altro dubbio: se il razzo non è trattenuto fermo, l'energia si divide in due parti uguali, una sull'acqua, l'altra sul razzo? Quindi il rendimento massimo ideale di un razzo vale cmq il 50% ?

Secondo capitolo: finita l'acqua, ora l'aria compressa residua fa la sua parte di spinta non trascurabile, anche perché il razzo ora e' molto leggero. Altri calcoli...

Terzo capitolo: al moto dovrebbe opporsi solo la gravità e la resistenza nell'aria, data come Fr=Cx*S*Vi^2. Giusto?

Creatività: se aggiungessi della sabbia o delle palline di piombo in prossimità dell'ugello, aumenterei la spinta iniziale?

Record: quale apogeo si potrebbe raggiungere con un razzo ad acqua?

Sarei felice se qualcuno volesse contribuire. Io, come avete potuto notare, sono un po' arrugginito (ho fatto altro negli ultimi trent'anni). Se i calcoli analitici diventassero troppo complicati, sarei in grado di fare una simulazione numerica, istante per istante, in basic. Grazie dell'attenzione.

Ciao

------------------------------------------------ 20/02/05

Nota 1 Credo di aver capito la formula della spinta F=2PA

Abbiamo detto che il tempo di espulsione dell'acqua vale t=L/v Sostituendo con le precedenti, ricaviamo: t=h*(S/A)*sqr(D/2P)

Ora possiamo dire che il centro di massa di quest'acqua si e' spostato in un tempo t di L/2 (baricentro del cilindro estruso d'acqua, praticamente il getto)

Da: s=(1/2)*a*t^2 ricaviamo l'accelerazione (media) a=2s/t^2=L/t^2 e sostituendo: a=2*A*P/(S*h*D)

Dalla newtoniana per eccellenza F=m*a

F= h*S*D * 2*A*P/(S*h*D) = 2*A*P c.v.d.

Notare che in questa ultima semplificazione si elide la densità del liquido espulso, come dire che la natura del liquido non influisce sulla spinta. (!)

Tutti questi calcoli sono di prima approssimazione.

Ciao

[c'e' nessuuunooo?]
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Che nickname ha costui?
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ciao i razzi ad acqua mi hanno sempre stuzzicato, fin da bambino quando ci giocavo al mare.... io ho trovato questo sito che mette a disposizione un bel simulatore di razzi ad acqua, puoi variare tutto, pressione, quantita acqua, tempereature.... e ti calcola poi la spinta, i secondi , l'apogeo....

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il Zott

Sembra divertente, quasi quasi mi state facendo venire voglia di sperimentare. C'è qualche controindicazione ad usare il compressore al posto della pompa da bicicletta? Ciao. Fra.

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Leo & Fra

Sembra propio simpatico ma magari aspetto il caldo ora a giocare con l'acqua mi prendo una polmonite . Avrei idea di usare il compressore anche io e magari mettere un qualcosa di effervescente nell'acqua dovrebbe schizzare più in alto no??? Ma ...secondo me non sono mica normale io !!! Buon divertimento "Leo & Fra" ha scritto nel messaggio news:421892c3$0$32344$ snipped-for-privacy@news.tiscali.it...

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Tiziano Cappuccini

forse che rischi troppo facilmente di fare scoppiare accidentalmente la bottiglia, il compressore spinge come un dannato, a mano forse ti fermi prima tu

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cicciobomba

"il Zott" ha scritto:

Sì, ho visto in rete alcuni simulatori. Quello che segnali tu è il più completo che abbia visto. Purtroppo trovo risultati discordi tra diversi simulatori. Anche per questo vorrei sviscerare bene il problema teorico. Ad es. confrontiamo questo sim. con il WaterRocketFan by Tony Wayne.

Per confrontarli setto tutti e due con una bottiglia di 2 litri, pressione 100 PSI (~7 hkP), temp=20°C, launch tube l. = 0,

0.5 litri di acqua e 120 gr di peso a vuoto.

Con il primo ottengo un apogeo di 63.06 m, mentre con il secondo di 97.84 m. Non mi sembra poca la differenza.

E poi mi sembra che se si riesce a teorizzare bene un esperimento e poi si riesce a fare una buona verifica sperimentale, la soddisfazione diventa doppia, imho. Inoltre mi chiedo sempre: che cosa si può ottenere al massimo?

Ciao

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Che nickname ha costui?

"Leo & Fra" ha scritto:

Anch'io ho tutte le intenzioni di arrivare a pressioni più elevate. Bisogna imho tener *seriamente* conto delle esplosioni che non vanno assolutamente sottovalutate, soprattutto per i possibili danni agli occhi. In rete trovi dei codici di autoregolamentazione.

Ciao

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Che nickname ha costui?

Perchè non mettere qualche servo e farlo radiocomadato? magari si riesce a farlo planare e veleggiare un po'! Ciaoooooooooooooooooooooooooooo!

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-=[Max N.]=-

Leo & Fra ha scritto:

Da quanto visto in giro, io mi sono limitato al tappo di sughero, puoi benissimo usare il compressore, col sughero si stappa da solo, e anche se scoppia tu sei sempre ad almeno cinque o sei metri di distanza, se usi un tubo di lunghezza decente. Ma vale la pena di più se usi un sistema di ritenuta del tappo, una spece di forcella che permette di bloccare il tappo con pressioni maggiori, e costanti, il tappo salta altrimenti in funzione di come è stato lavorato ed inserito nel collo della bottiglia, o di quanto è inzuppato. Si tratta di fare una rampa un po più raffinata, col tappo che appoggia sulla base e non può sfilarsi, e una forcella che tiene il collo, sfilabile tirando una corda da lontano, e ovviamente un bel manometro. ciao Danilo

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danilo_

"danilo_" ha scritto:

A tal proposito ho visto che qualcuno usa per lo sgancio i raccordi a pressione da giardinaggio. Il vantaggio è che il meccanismo è già fatto, basta legare al manicotto un cordino per l'azionamento a distanza. Il maschio viene usato come ugello e la restrizione della sezione di scarico, a parere di taluni, dà dei vantaggi sull'apogeo.

Altro discorso, invece, si ha per il meccanismo di sgancio tra uno stadio e l'altro, nel caso si voglia affrontare la costruzione di un multistadio. Pensavo di usare uno spezzone di tubolare da bicicletta da corsa che faccia da tappo ad espansione per lo stadio successivo, gonfiato dalla pressione di quello precedente. Qualcuno ha qualche altra idea?

Ciao

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Che nickname ha costui?

"-=[Max N.]=-" ha scritto:

Ho giusto un veleggiatore e qualche radiocomando in solaio! Penso convenga restringere al massimo la sezione dell'ugello (D=4..6 mm) per non esagerare con l'accelerazione e prolungare la spinta. Un angolo d'attacco di 45..60° con salita a vite sarebbe spettacolare. Il motore si potrebbe sganciare esaurita la fase di spinta.

Oppure si potrebbe costruire un canard a decollo verticale come un razzo e planata... quello che viene. O paura, pero', che sia difficile l'equilibrio nella fase di spinta e non credo si possa radiocomandare in quella fase.

Ciao

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Che nickname ha costui?

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