Brincando com a ciência

Foguete de Garrafa Pet

Um outro experimento divertido que encontrei e que também já pude observar em ação foi um foguete de garrafa pet. Experimento simples que pode ser reproduzido facilmente em casa e ideal para um feira de ciências, ressaltando que o experimento de baixo custo.

Todo o esquema de montagem deste foguete foi retirado de um artigo publicado na revista Física na Escola e é de autoria de James Alves de Souza. O artigo completo pode ser encontrado em formato pdf, quem tiver curiosidade de vê-lo na integra, clique aqui.

James Alves de Souza

Departamento de Física, Universidade

Federal de São Carlos, São Carlos, SP,

Brasil

E-mail: jamesfisica@gmail.com

Construindo o Foguete

Este trabalho descreve-se a construção de um foguete utilizando garrafas descartáveis de refrigerante (PET) de 2 litros e a montagem de um sistema de propulsão que funciona com

água e ar comprimido. Mostra-se também vários fatores que influenciam na estabilidade

do foguete durante o vôo, como a obtenção e relação entre centro de massa e centro de pressão. Apresenta-se ainda a teoria envolvida durante o lançamento por meio de algumas aproximações, mostrando a aplicabilidade de assuntos comuns no ensino médio como segunda e terceira leis de Newton, conceitos de momento linear e velocidade relativa, movimento de um fluido perfeito utilizando a equação de Bernoulli e a equação de continuidade e expansão adiabática de um gás ideal. Por fim, obtém-se a velocidade máxima que o foguete pode atingir aplicando-se uma pressão de 80 psi, sendo possível estimar a aceleração do mesmo durante o processo de ejeção de água, algo próximo a 25 g, um resultado surpreendente pela simplicidade da montagem.

Mostramos também que a medida de pressão é o psi - pound-force per square inch,

significa libra por polegada quadrada -, porque esta é a unidade dos manômetros

das bombas de encher pneus. A unidade pascal (Pa) é a utilizada no sistema internacional de unidades (SI).

Material utilizado

Os materiais citados abaixo não são os únicos que podem ser utilizados para a construção do foguete; a imaginação do construtor pode dar lugar a substituições.

São necessários:

• 2 garrafas descartáveis de refrigerante (PET) de dois litros. Utilize somente PET, pois este material pode suportar altíssimas pressões internas

• placa pluma ou isopor de alta densidade (facilmente encontrada em supermercados na forma de bandejas para embalagem de alimentos)

• fita adesiva transparente

• 1 rolha de cortiça grande

• 1 válvula de pneu de bicicleta

• 1 tubo de caneta vazio

• 1 mangueira com até 6 mm de diâmetro

• 1 bomba de encher pneu de bicicleta

Procedimento

Foguete

As duas garrafas PET são os principais componentes do foguete, pois serão utilizadas para a construção da sua fuselagem, que é composta pela câmara de combustão (que chamaremos de câmara de compressão) e pelo nariz, região frontal do foguete. Para a câmara de compressão utilizaremos uma garrafa inteira sem alterações. Esta é a parte do foguete em que estará contido o seu combustível (a água). Para o nariz, utilizaremos apenas a parte de cima da garrafa, cônica, como mostra a Fig. 1a. Essa peça tem a função de minimizar o atrito do ar durante o vôo do foguete, fornecendo ao mesmo um formato mais aerodinâmico. Em seguida, fixe a parte cônica no fundo da outra garrafa inteira com a fita adesiva, conforme mostra a Fig. 1b. É importante que se tenha um bom alinhamento entre estas partes (Fig. 1c), para que não haja maiores complicações durante o vôo.

fig.1

O próximo passo é a construção das aletas do foguete; elas são fundamentais para sua estabilidade durante o vôo. Pegue as bandejas de isopor de alta densidade e recorte-as no formato de trapézios, de modo que eles se encaixem na parte cônica da garrafa inteira (Fig. 2). O formato das aletas é arbitrário, mas sugerimos trapézios por conterem somente retas e ser mais fácil de manipular durante o corte.

fig.2

Utilizando a fita adesiva, fixe as quatro aletas na parte cônica da garrafa inteira, na região inferior do foguete, de modo que fiquem bem alinhadas duas a duas como se fossem imagens especulares (Fig. 3a).

Se os passos descritos até o momento forem bem sucedidos, o foguete estará pronto, como mostra a (Fig. 3b). Nada impede a utilização de garrafas PET de outros formatos, mas optamos por garrafas de paredes retas por um motivo que descreveremos na seção sobre a estabilidade do foguete.

fig.3

Sistema de propulsão

O sistema de propulsão consta da base de lançamento e o aparato de pressurização que será conectado à câmara de compressão do foguete.

Pegue a rolha de cortiça e faça um furo com diâmetro um pouco menor que o diâmetro externo da mangueira, para que a mesma passe pelo furo e fique bem justa (Fig. 4a).

Deixe a mangueira com uma ponta sobrando e encaixe o tubo de caneta nesta ponta (Fig. 4b).

fig.4

Apesar de não ser essencial, esse tubo tem a função de evitar alguns incômodos, como não deixar entrar água na bomba ou evitar que a mangueira escape da rolha, pois seu encaixe provoca um estrangulamento na ponta da mangueira. Esse conjunto será encaixado no bocal da garrafa e é importante que fique firme, pois será a parte do sistema de propulsão que suportará o aumento da pressão interna do foguete. Se não for possível conseguir uma rolha grande que satisfaça essa condição, pode-se optar por uma rolha menor e revestí-la com uma capa de pé de cadeira, como fizemos neste trabalho (Fig. 4a).

Agora encaixe a válvula de pneu de bicicleta na outra extremidade da mangueira, de maneira que a mesma fique bem encaixada na bomba de encher pneus. Se a bomba não contiver o encaixe mostrado na (Fig. 4c), será preciso retirar o pino da válvula de pneu, pois este impossibilitará o bombeamento de ar para câmara. Nesse caso o tubo de caneta é indispensável.

A construção da base de lançamentos fica por conta da criatividade do leitor, mas pode-se optar por fazer uma base simples com outra garrafa PET, como mostra a (Fig. 5a).

fig.5

Pegue a parte inferior de uma garrafa e faça cortes em suas laterais na direção das aletas do foguete, para que o mesmo fique apoiado na vertical. Em seguida faça um furo na lateral inferior da garrafa para inserção da mangueira conectada à rolha e a base estará concluída.

Outra opção é fazer uma base mais sofisticada com tubos e conexões de PVC na forma de tripé (Fig. 5b).

Foram utilizados três cotovelos de 45° e duas junções em T, sendo que a da parte central, onde o foguete se apóia, foi perfurada para a passagem da mangueira com a rolha. Os canos são de 3/4”; essa medida proporciona o encaixe perfeito do bocal da garrafa na junção em T. É interessante não colar as junções assinaladas na figura para que se tenha liberdade de ajuste da base em locais irregulares, fazendo com que o foguete fique na vertical e também permitindo diferentes inclinações para lançamentos

oblíquos. Na verdade, todas as partes dessa base podem ser somente encaixadas, mas

para garantir firmeza é bom colar as outras conexões. Utilize cola adesiva própria para

PVC. A (Fig. 5b) é um aumento da (Fig. 3b).

Lançamento: O que causa a decolagem do foguete?

O vôo de um foguete real se dá pela queima de combustível. A explosão faz com que haja ejeção dos gases provenientes da combustão em sentido contrário ao do movimento do foguete, impulsionando-o para frente. Na nossa montagem, a água substitui os gases quentes e sua ejeção se dá pela compressão do ar em vez de explosão. Para o lançamento do foguete siga os seguintes passos:

1° - Pegue o foguete e preencha-o com um pouco de água. Procure otimizar a quantidade para maior ascensão do foguete, pois acrescentando-se muita água ele ficará pesado, dificultando sua subida; com pouca água não haverá propulsão suficiente para subidas longas.

2° - Em seguida encaixe a rolha com o tubo de caneta no bocal da garrafa, vedando-a para que a água não derrame. A rolha deve ficar bem apertada, pois esse será um dos fatores mais importantes para maior ascensão do foguete.

3° - Feito isso é só bombear o ar para dentro da câmara de compressão até que o foguete seja lançado. Um esquema final da montagem está ilustrado na Fig. 9a.

Mas qual a física envolvida no lançamento?

O que temos é uma aplicação direta da conhecida lei da ação e reação ou terceira lei de Newton. Ao bombearmos o ar para dentro da câmara de compressão, o mesmo vai se comprimindo e exercendo uma força (pressão) cada vez maior sobre a superfície da água ali contida. No momento em que essa força se torna maior que a força de atrito que mantém a rolha presa à garrafa, a rolha e a água saem com uma velocidade muito grande, ação, fornecendo ao foguete um impulso vertical em sentido contrário e possibilitando o seu vôo, reação, ou seja, a água dá um “empurrão” no foguete (Fig. 9b). Em física dizemos que há uma transferência de momento linear da água para o foguete.

Você poderia perguntar: por que não lançar somente uma garrafa PET para reproduzir o vôo de um foguete?

A resposta é simples; uma garrafa sem as aletas e o nariz seria lançada como um projétil seguindo uma trajetória parabólica e girando em torno de seu CM. Pode-se mostrar este fato para enfatizar a importância dos aparatos acrescentados para que se tenha estabilidade e reprodução do vôo de um foguete real. A seguir, exploraremos um pouco mais a física para obtermos uma aproximação da aceleração que o foguete pode atingir durante a  ejeção de água e sua velocidade ao final desse processo pelo cálculo da velocidade de escape da água.

Uma série de vídeos demonstrando que este tipo de foguete funciona pode ser encontrado na internet, coloquei alguns que achei interessante inclusive, tem até um vídeo que ensina a construir o foguete.

Fazendo um foguete de água

Levando o foguete de garrafa pet pra a escola primaria

O legal deste vídeo é que as pessoas envolvidas no experimento retiram a água da garrafa para minimizar o potencial da decolagem do foguete e assim não assustar ou machucar alguém enquanto está sendo realizado. 

A uma seleção de diversos vídeos relacionados a foguetes de água no youtube, há alguns incríveis que relatam vôos de mais de 100 metros de altura, não sei a legitimidade desta informação más sei que o este foguete de água realmente funciona e decola com velocidades altas e atingem alturas consideráveis.