Movimiento vertical de un cohete con rozamiento (I)

Hemos deducido la ecuación de un cohete que se mueve verticalmente sin rozamiento

mg=m dv dt +u dm dt

Supongamos que la cantidad de combustible quemado en la unidad de tiempo, D, es constante, D=-dm/dt. La masa m del cohete en el instante t valdrá m=m0-D·t. Donde m0 es la suma de la carga útil más el combustible inicial, y D·t es el combustible quemado al cabo de un cierto tiempo t. El combustible se agota en el instante tf, la masa final del cohete es mf=m0-D·tf

Un cohete puede considerarse una partícula de masa variable m sometida a la acción de tres fuerzas de la misma dirección:

La ecuación del movimiento para t<tf es

m dv dt =mg F r +uD,m= m 0 Dt

Estudiamos dos casos de fuerza de rozamiento Fr:

Fuerza de rozamiento proporcional a la velocidad

En este caso Fr=bv. La ecuación del movimiemto de escribe

dv dt + b m 0 Dt v=g+ uD m 0 Dt

Tenemos una ecuación del tipo

dv dt +P(t)v=Q(t){ P(t)= b m 0 Dt Q(t)=g+ uD m 0 Dt

cuya solución es

v(t)=exp( P(t)dt ){ c+ Q(t)exp( P(t)dt )dt }

donde c es una constante que determina la condición inicial, en el instante t=0, parte del reposo v=0.

P(t)dt = b m 0 Dt dt= b D ln( m 0 Dt ) exp( P(t)dt )=exp( b D ln( m 0 Dt ) )= ( m 0 Dt ) b D Q(t)exp( P(t)dt )=( g+ uD m 0 Dt ) ( m 0 Dt ) b D { g ( m 0 Dt ) b D +uD ( m 0 Dt ) b D 1 }dt = g D ( m 0 Dt ) b D +1 + uD b ( m 0 Dt ) b D

La expresión de la velocidad v en función del tiempo t es

v=c ( m 0 Dt ) b D + g Db ( m 0 Dt )+ uD b

Teniendo en cuenta que para t=0, v=0

c= gb m 0 +uD(Db) b(Db) m 0 b/D

Altura

Integramos para calcular altura x en función del tiempo t

x(t)= 0 t v(t)·dt = uD b t g 2D( Db ) ( m 0 Dt ) 2 c D+b ( m 0 Dt ) b D +1 + g 2D( Db ) m 0 2 + c D+b m 0 1+b/D

Se agota el combustible

En el instante tf en el que se agota el combustible, la masa del cohete es mf=m0-D·tf, su velocidad es vf y su altura xf. La ecuación del movimiento es

m f dv dt = m f gbv

Integrando, obtenemos la velocidad v en función del tiempo t

v f v dv g+ b m f v = t f t dt v(t)=( m f g b + v f )exp( b m f (t t f ) ) m f g b

Se alcanza la altura máxima en el instante t, cuando la velocidad es nula v=0

exp( b m f (t t f ) )= m f g m f g+b v f t= t f + m f b ln( m f g+b v f m f g )

Integramos de nuevo, para obtener la altura x en función del tiempo t

x(t) x f = t f t v(t)·dt x(t)= x f + m f b ( m f g b + v f ){ 1exp( b m f (t t f ) ) } m f g b (t t f )

Ejemplo

Sea un cohete

Representamos

m0=131.2/1000; %masa inicial
tf=5.358; %agota combustible
D=8.343/1000; %kg/s
mf=m0-D*tf; %masa final
u=780.8; %m/s
hold on
%sin rozamiento
v=@(t) -9.8*t+u*log(m0./(m0-D*t));
fplot(v,[0,tf], 'color','k')
v1=v(tf);
fplot(@(t) v1-9.8*(t-tf), [tf,tf+v1/9.8], 'color','k')
%con rozamiento
for b=[3,9]/1000
    c=-(9.8*b*m0+u*D*(D-b))/(b*(D-b)*m0^(b/D));
    v=@(t) c*(m0-D*t).^(b/D)+9.8*(m0-D*t)/(D-b)+u*D/b;
    fplot(v,[0,tf])
    vf=v(tf);
    tt=tf+mf*log((mf*9.8+b*vf)/(mf*9.8))/b;
    v=@(t) (mf*9.8/b+vf)*exp(-b*(t-tf)/mf)-mf*9.8/b;
    fplot(v,[tf, tt])
end
line([tf,tf],[0,v1],'lineStyle','--') 
hold off
grid on
xlabel('t (s)')
ylabel('v (m/s)')
title('Velocidad')

Representamos

m0=131.2/1000; %masa inicial
tf=5.358; %se agota el combustible
D=8.343/1000; %kg/s
mf=m0-D*tf; %masa final
u=780.8; %m/s
hold on
%sin rozamiento
x=@(t) u*t-4.9*t.^2+u*(m0-D*t).*log(1-D*t/m0)/D;
v=@(t) -9.8*t+u*log(m0./(m0-D*t));
fplot(x,[0,tf], 'color','k')
x1=x(tf);
v1=v(tf);
fplot(@(t) x1+v1*(t-tf)-4.9*(t-tf).^2, [tf,tf+v1/9.8], 'color','k')
%con rozamiento
for b=[3,9]/1000
    c=-(9.8*b*m0+u*D*(D-b))/(b*(D-b)*m0^(b/D));
    v=@(t) c*(m0-D*t).^(b/D)+9.8*(m0-D*t)/(D-b)+u*D/b;
    x=@(t) u*D*t/b-4.9*(m0-D*t).^2/(D*(D-b))-c*(m0-D*t).^(b/D+1)/(D+b)
+4.9*m0^2/(D*(D-b))+c*m0^(b/D+1)/(D+b);
    fplot(x,[0,tf])
    vf=v(tf);
    xf=x(tf);
    tt=tf+mf*log((mf*9.8+b*vf)/(mf*9.8))/b;
    xx=@(t) xf+mf*(9.8*mf/b+vf)*(1-exp(-b*(t-tf)/mf))/b-9.8*mf*(t-tf)/b;
    fplot(xx,[tf, tt])
end
line([tf,tf],[0,x1],'lineStyle','--')
hold off
grid on
xlabel('t (s)')
ylabel('x (m)')
title('Altura')

Fuerza de rozamiento proporcional al cuadrado de la velocidad

En este caso Fr=bv2. La ecuación del movimiemto de escribe

dv dt + b m v 2 +g uD m =0,m= m 0 Dt

Es una ecuación del tipo

dv dt + a 2 (t) v 2 + a 0 (t)=0

que es complicada de resolver

Definimos una nueva variable χ, tal que

v= dχ dt a 2 χ

Derivamos respecto del tiempo

dv dt = d 2 χ d t 2 a 2 χ( d a 2 dt χ+ a 2 dχ dt ) dχ dt a 2 2 χ 2 = d 2 χ d t 2 a 2 χ d a 2 dt dχ dt a 2 2 χ ( dχ dt ) 2 a 2 χ 2

Introduciendo v y dv/dt en la ecuación diferencial, obtenemos

a 2 d 2 χ d t 2 d a 2 dt dχ dt + a 0 a 2 2 χ=0

Definimos una nueva variable ξ

ξ= 2 D bmg

Cambiamos la variable t por ξ

dχ dt = dχ dξ dξ dt = bg m dχ dξ = 2 D bg ξ dχ dξ d 2 χ d t 2 = d dt ( dχ dt )= d dξ ( dχ dt ) dξ dt = d dξ ( 2 D bg ξ dχ dξ ) dξ dt = 2bg D d dξ ( 1 ξ dχ dξ )( 2 D bg ξ )= 4 b 2 g 2 D 2 1 ξ 3 ( d 2 χ d ξ 2 ξ dχ dξ ) a 2 = b m = 4 b 2 g D 2 ξ 2 d a 2 dt = d a 2 dξ dξ dt = 8 b 2 g D 2 ξ 3 ( 2 D bg ξ )= 16 b 3 g 2 D 3 ξ 4 a 0 =g uD m =g 4bgu D ξ 2

Introducimos, a0, a2, da2/dt, dχ/dt, d2χ/dt2 en la ecuación diferencial, que se transforma en una ecuación de Bessel

d 2 χ d ξ 2 + 1 ξ dχ dξ +( 1 4bu D ξ 2 )χ=0 ξ 2 d 2 χ d ξ 2 +ξ dχ dξ +( ξ 2 ν 2 )χ=0, ν 2 = 4bu D

cuya solución es

χ(ξ)= c 1 J ν (ξ)+ c 2 Y ν (ξ)

La expresión de la velocidad v(ξ) es

dχ dξ = c 1 ( ν J ν (ξ) ξ J ν+1 (ξ) )+ c 2 ( ν Y ν (ξ) ξ Y ν+1 (ξ) ) v= dχ dt a 2 χ = 2 D bg ξ dχ dξ 4 b 2 g D 2 ξ 2 χ(ξ) = Dξ dχ dξ 2bχ(ξ) = D 2b ξ c 1 ( ν J ν (ξ) ξ J ν+1 (ξ) )+ c 2 ( ν Y ν (ξ) ξ Y ν+1 (ξ) ) c 1 J ν (ξ)+ c 2 Y ν (ξ) = v(ξ)= D 2b ( ξ J ν+1 (ξ)+c Y ν+1 (ξ) J ν (ξ)+c Y ν (ξ) ν )

La constante c se determina sabiendo que en el instante t=0, m=m0, y v=v0.

v 0 = D 2b ( ξ 0 J ν+1 ( ξ 0 )+c Y ν+1 ( ξ 0 ) J ν ( ξ 0 )+c Y ν ( ξ 0 ) ν ), ξ 0 = 2 D b m 0 g c= ( 2b v 0 +Dν ) J ν ( ξ 0 )D ξ 0 J ν+1 ( ξ 0 ) D ξ 0 Y ν+1 ( ξ 0 )( 2b v 0 +Dν ) Y ν ( ξ 0 )

Si parte del reposo, v0=0

c= ν J ν ( ξ 0 ) ξ 0 J ν+1 ( ξ 0 ) ξ 0 Y ν+1 ( ξ 0 )ν Y ν ( ξ 0 )

Altura

No hay solución analítica para determinar la altura x en función del tiempo t. Resolvemos la ecuación diferencial

d 2 x d t 2 + b m 0 Dt ( dx dt ) 2 +g uD m 0 Dt =0

por el procedimiento numérico ode45 de MATLAB hasta el instante tf, con las siguientes condiciones iniciales: en el instante t=0, x=0, dx/dt=0. Parte del origen en reposo

Se agota el combustible

En el instante tf en el que se agota el combustible, la masa del cohete es mf=m0-D·tf, su velocidad es vf y su altura xf. La ecuación del movimiento es

dv dt + b m f v 2 +g=0

Integrando, obtenemos la velocidad v en función del tiempo t

v f v dv g+ b m f v 2 = t f t dt m f b 1 m f g b { arctan( b m f g v )arctan( b m f g v f ) }=t t f v(t)= m f g b tan{ arctan( b m f g v f ) bg m f ( t t f ) }

Se alcanza la altura máxima en el instante t, cuando la velocidad es nula v=0

t= t f + m f bg arctan( b m f g v f )

Integramos de nuevo, para obtener la altura x en función del tiempo t

x(t) x f = t f t v(t)·dt x(t)= x f + m f b ln cos( arctan( b m f g v f ) bg m f ( t t f ) ) cos( arctan( b m f g v f ) ) = x f + m f b ln{ 1+ b m f g v f 2 cos( arctan( b m f g v f ) bg m f ( t t f ) ) }

Ejemplo

Sea un cohete

La masa final del cohete, cuando ha agotado el combustible es mf=m0-D·tf

Representamos la velocidad v en función del tiempo t para b=5·10-5 kg/m. Comprobamos que la solución numérica utilizando el procedimiento ode45 de MATLAB coincide, aproximadamente, con la solución analítica

m0=131.2/1000; %masa inicial
tf=5.358; %se agota el combustible
D=8.343/1000; %kg/s
mf=m0-D*tf; %masa final
u=780.8; %m/s
hold on
b=0.5/10000;
%solución numérica
f=@(t,x) [x(2);(u*D-b*x(2)^2)/(m0-D*t)-9.8];
[t,x]=ode45(f,[0,tf],[0,0]);
plot(t,x(:,2))
f=@(t,x) [x(2);(-b*x(2)^2)/mf-9.8];
[t,x]=ode45(f,[tf, 20],[x(end,1),x(end,2)]);
plot(t,x(:,2))
%solución analítica
nu=2*sqrt(b*u/D);
xi_0=2*sqrt(b*m0*9.8)/D;
c=(nu*besselj(nu,xi_0)-xi_0*besselj(nu+1,xi_0))/(xi_0*bessely(nu+1,xi_0)
-nu*bessely(nu,xi_0));
v=@(t) D*((2*sqrt(b*(m0-D*t)*9.8)/D).*(besselj(nu+1,2*sqrt(b*(m0-D*t)*9.8)/D)+
c*bessely(nu+1,2*sqrt(b*(m0-D*t)*9.8)/D))./(besselj(nu,2*sqrt(b*(m0-D*t)*9.8)/D)+
c*bessely(nu,2*sqrt(b*(m0-D*t)*9.8)/D))-nu)/(2*b);
fplot(v,[0,tf])
vf=v(tf);
tt=tf+sqrt(mf/(b*9.8))*atan(sqrt(b/(mf*9.8))*vf);
v=@(t) sqrt(mf*9.8/b)*tan(atan(sqrt(b/(mf*9.8))*vf)-sqrt(9.8*b/mf)*(t-tf));
fplot(v,[tf, tt])
hold off
grid on
xlabel('t (s)')
ylabel('v (s)')
title('Velocidad')

Representamos

m0=131.2/1000; %masa inicial
tf=5.358; %se agota el combustible
D=8.343/1000; %kg/s
mf=m0-D*tf; %masa final
u=780.8; %m/s
hold on
%sin rozamiento
v=@(t) -9.8*t+u*log(m0./(m0-D*t));
fplot(v,[0,tf], 'color','k')
v1=v(tf);
fplot(@(t) v1-9.8*(t-tf), [tf,tf+v1/9.8], 'color','k')
%con rozamiento
for b=[0.5,2,5]/10000
    nu=2*sqrt(b*u/D);
    xi_0=2*sqrt(b*m0*9.8)/D;
    c=(nu*besselj(nu,xi_0)-xi_0*besselj(nu+1,xi_0))/(xi_0*bessely(nu+1,xi_0)
-nu*bessely(nu,xi_0));
    v=@(t) D*((2*sqrt(b*(m0-D*t)*9.8)/D).*(besselj(nu+1,2*sqrt(b*(m0-D*t)*9.8)/D)+
c*bessely(nu+1,2*sqrt(b*(m0-D*t)*9.8)/D))./(besselj(nu,2*sqrt(b*(m0-D*t)*9.8)/D)+
c*bessely(nu,2*sqrt(b*(m0-D*t)*9.8)/D))-nu)/(2*b);
    fplot(v,[0,tf])
    vf=v(tf);
    tt=tf+sqrt(mf/(b*9.8))*atan(sqrt(b/(mf*9.8))*vf);
    v=@(t) sqrt(mf*9.8/b)*tan(atan(sqrt(b/(mf*9.8))*vf)-sqrt(9.8*b/mf)*(t-tf));
    fplot(v,[tf, tt])
end
line([tf,tf],[0,v1],'lineStyle','--')
hold off
grid on
xlabel('t (s)')
ylabel('v (m/s)')
title('Velocidad')

Representamos

m0=131.2/1000; %masa inicial
tf=5.358; %se agota el combustible
D=8.343/1000; %kg/s
mf=m0-D*tf; %masa final
u=780.8; %m/s
hold on
%sin rozamiento
x=@(t) u*t-4.9*t.^2+u*(m0-D*t).*log(1-D*t/m0)/D;
v=@(t) -9.8*t+u*log(m0./(m0-D*t));
fplot(x,[0,tf], 'color','k')
x1=x(tf);
v1=v(tf);
fplot(@(t) x1+v1*(t-tf)-4.9*(t-tf).^2, [tf,tf+v1/9.8], 'color','k')
%con rozamiento
for b=[0.5,2,5]/10000
    f=@(t,x) [x(2);(u*D-b*x(2)^2)/(m0-D*t)-9.8]; %solución numérica
    [t,x]=ode45(f,[0,tf],[0,0]);
    plot(t,x(:,1))
    vf=x(end,2);
    tt=tf+sqrt(mf/(b*9.8))*atan(sqrt(b/(mf*9.8))*vf);
    xf=x(end,1);
    xx=@(t) xf+mf*log(sqrt(1+b*vf^2/(9.8*mf))*cos(atan(sqrt(b/(mf*9.8))*vf)
-sqrt(9.8*b/mf)*(t-tf)))/b;
    fplot(xx,[tf, tt])
    line([tf,tf],[0,xf],'lineStyle','--')
end
hold off
grid on
xlabel('t (s)')
ylabel('x (m)')
title('Altura')

Referencias

André Luíz Alves, Sérgio Souza Bento, Carlos Henrique Marchi. Movimento Vertical de Minifoguetes: Equações de Trajetórias e Análises Gráficas. Vertical Model Rocket Movement: Trajectory Equations and Graphical Analysis. Revista Brasileira de Ensino de Física, vol. 43, e20200479 (2021)

H. Rodrigues, M.O. Pinho, D. Portes Jr., A. Santiago. Analytical description of ascending motion of rockets in the atmosphere. Eur. J. Phys. 30 (2009) pp. 185–190.