Tobera del motor cohete para niños
Una tobera de motor de cohete es una parte muy importante de un motor cohete. Su trabajo principal es tomar los gases calientes que se producen al quemar el combustible y acelerarlos a una velocidad muy alta. Esto crea el empuje necesario para que un cohete se mueva y vuele por el espacio. La mayoría de estas toberas tienen una forma especial llamada tobera de Laval.
Contenido
¿Qué es una tobera de cohete?
Una tobera de cohete es como la "salida" de un motor de cohete. Imagina que tienes una manguera de jardín y la aprietas para que el agua salga con más fuerza. La tobera hace algo parecido con los gases de escape. Los gases calientes y a alta presión que se forman dentro del motor pasan por la tobera, que los expande y los acelera. Al salir a gran velocidad, estos gases empujan el cohete hacia adelante, siguiendo la tercera ley del movimiento de Isaac Newton: "Por cada acción, hay una reacción igual y opuesta".
¿Cómo funciona una tobera de Laval?
La tobera de Laval tiene una forma especial que primero se estrecha (la "garganta") y luego se ensancha. Cuando los gases calientes pasan por la parte estrecha, su velocidad aumenta mucho. Luego, al entrar en la parte que se ensancha, los gases se expanden aún más y su velocidad se vuelve supersónica (más rápida que el sonido), creando un empuje muy potente.
Historia de las toberas de cohete
La idea de la tobera de Laval no nació con los cohetes. Fue desarrollada en el siglo XIX por un ingeniero llamado Gustav de Laval para usarla en máquinas de vapor.
Pioneros de la cohetería
Mucho tiempo después, uno de los padres de la cohetería moderna, Robert Goddard, fue el primero en aplicar esta idea a los motores de cohete. Gracias a su trabajo, los cohetes pudieron ser mucho más eficientes. Más tarde, casi todos los motores de cohete han usado este diseño. Por ejemplo, los cohetes V-2 alemanes, desarrollados en los años 1940, también usaron esta tecnología, gracias a las mejoras de Walter Thiel.
Uso de las toberas en diferentes entornos
El diseño de una tobera de cohete debe adaptarse al lugar donde se va a usar, ya sea en la atmósfera de la Tierra o en el vacío del espacio.
Toberas en la atmósfera
Cuando un cohete vuela dentro de la atmósfera, la presión del aire cambia a medida que sube. Lo ideal es que la presión de los gases que salen de la tobera sea igual a la presión del aire exterior.
- Si la presión de los gases es mayor que la del aire, se dice que la tobera está "infraexpandida". Esto significa que los gases podrían expandirse más fuera de la tobera.
- Si la presión de los gases es menor que la del aire, la tobera está "sobreexpandida". Esto puede hacer que el chorro de gases se separe de la tobera, lo que reduce la eficiencia y puede causar problemas.
Para los cohetes que van desde la Tierra al espacio, es un desafío diseñar una tobera que sea perfecta en todas las altitudes. Por eso, a veces se diseñan para ser más eficientes en una parte específica del vuelo.
Toberas en el espacio (vacío)
En el vacío del espacio, no hay presión de aire exterior. Por eso, las toberas pueden ser mucho más grandes. Cuanto más grande es la tobera en el vacío, más eficientes suelen ser. Sin embargo, una tobera muy grande también pesa más, y el peso es un factor muy importante en los cohetes.
Además, en el espacio, los gases de escape se enfrían mucho. A veces, algunos componentes de estos gases, como el vapor de agua, podrían congelarse. Esto es algo que los ingenieros tratan de evitar.
Impulso específico: la eficiencia del cohete
El impulso específico es una medida de lo eficiente que es un motor de cohete al usar su combustible. Es como decir cuánta fuerza (empuje) produce el motor por cada kilogramo de combustible que quema por segundo. Cuanto mayor sea el impulso específico, más eficiente es el motor y menos combustible necesita para hacer el mismo trabajo.
Se calcula dividiendo el empuje que produce el motor entre la cantidad de combustible que consume por segundo y la aceleración de la gravedad en la Tierra.
Forma ideal de una tobera
La forma de la tobera es muy importante para que los gases de escape se conviertan en movimiento lineal de la manera más eficiente posible.
Formas comunes de toberas
- Forma de cono: Es la forma más sencilla, como un embudo. Tiene una eficiencia buena, de alrededor del 97%.
- Forma de campana: Es una forma más compleja, parecida a una campana. Es un poco más eficiente (quizás un 1% más) y, a menudo, es más corta y ligera que una tobera cónica del mismo rendimiento. Por eso, se usa mucho en cohetes donde el peso es crucial. Aunque son más difíciles y caras de fabricar.
Los ingenieros también se aseguran de que la parte más estrecha de la tobera (la garganta) tenga una forma suave y que la salida de la tobera sea lo más afilada posible. Esto ayuda a que el chorro de gases salga de forma estable y eficiente.
Diseños avanzados de toberas
Los ingenieros siempre están buscando formas de mejorar las toberas de los cohetes. Algunos diseños avanzados buscan adaptarse mejor a los cambios de presión a diferentes alturas o mejorar el control del cohete.
Toberas que se adaptan a la altitud
Algunos diseños pueden cambiar su forma o la forma en que los gases se expanden para ser más eficientes a diferentes altitudes. Ejemplos incluyen:
- Toberas aerospike: Tienen una forma diferente que permite que los gases se expandan a lo largo de una superficie central, adaptándose a la presión exterior.
- Toberas de doble campana: Son como dos toberas en una, que pueden cambiar su configuración para ser más eficientes a baja o alta altitud.
Control de dirección del cohete
Algunas toberas avanzadas permiten controlar la dirección del cohete sin necesidad de mover toda la tobera. Por ejemplo, inyectando un líquido en puntos específicos de la tobera, se puede desviar ligeramente el chorro de gases, lo que ayuda a dirigir el cohete. El cohete PSLV de la India usa un sistema así para controlar su vuelo.
Galería de imágenes
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Tobera subexpandida: El gas tiene más presión que el aire exterior y sigue expandiéndose fuera de la tobera.
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Tobera crítica: La presión del gas al salir de la tobera es igual a la presión del aire exterior.
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Tobera sobreexpandida: La presión del gas baja de la presión ambiente antes de salir de la tobera.
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Tobera muy sobreexpandida: Puede causar problemas mecánicos y fuerzas laterales si el chorro se separa de forma desigual.
Véase también
En inglés: Rocket engine nozzle Facts for Kids
