Movimiento vertical de un cohete con rozamiento (I)

Hemos deducido la ecuación de un cohete que se mueve verticalmente sin rozamiento
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:
- El peso, mg
- El empuje de los gases, uD
- La fuerza de rozamiento, Fr
La ecuación del movimiento para t<tf es
Estudiamos dos casos de fuerza de rozamiento Fr:
- Fuerza de rozamiento proporcional a la velocidad
- Fuerza de rozamiento proporcional al cuadrado de la velocidad
Fuerza de rozamiento proporcional a la velocidad
En este caso Fr=bv. La ecuación del movimiemto de escribe
Tenemos una ecuación del tipo
cuya solución es
donde c es una constante que determina la condición inicial, en el instante t=0, parte del reposo v=0.
La expresión de la velocidad v en función del tiempo t es
Teniendo en cuenta que para t=0, v=0
Altura
Integramos para calcular altura x en función del tiempo t
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
Integrando, obtenemos la velocidad v en función del tiempo t
Se alcanza la altura máxima en el instante t, cuando la velocidad es nula v=0
Integramos de nuevo, para obtener la altura x en función del tiempo t
Ejemplo
Sea un cohete
- Masa inicial, m0=131.2 g
- Agota el compustible en el instante, tf=5.358 s
- Velocidad de salida de los gases, respecto del cohete, u=780.8 m/s
- Quema combustible a razón, D=8.343 g/s
Representamos
- La velocidad del cohete v en función del tiempo, cuando no se tiene en cuenta el rozamiento, en color negro
- Cuando se tiene en cuenta el rozamiento, para dos valores del parametro b=0.003 y 0.009 kg/s
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
- La altura del cohete x en función del tiempo, cuando no se tiene en cuenta el rozamiento, en color negro
- Cuando se tiene en cuenta el rozamiento, para dos valores del parametro b=0.003 y 0.009 kg/s
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
Es una ecuación del tipo
que es complicada de resolver
Definimos una nueva variable χ, tal que
Derivamos respecto del tiempo
Introduciendo v y dv/dt en la ecuación diferencial, obtenemos
Definimos una nueva variable ξ
Cambiamos la variable t por ξ
Introducimos, a0, a2, da2/dt, dχ/dt, d2χ/dt2 en la ecuación diferencial, que se transforma en una ecuación de Bessel
cuya solución es
La expresión de la velocidad v(ξ) es
La constante c se determina sabiendo que en el instante t=0, m=m0, y v=v0.
Si parte del reposo, v0=0
Altura
No hay solución analítica para determinar la altura x en función del tiempo t. Resolvemos la ecuación diferencial
por el procedimiento numérico
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
Integrando, obtenemos la velocidad v en función del tiempo t
Se alcanza la altura máxima en el instante t, cuando la velocidad es nula v=0
Integramos de nuevo, para obtener la altura x en función del tiempo t
Ejemplo
Sea un cohete
- Masa inicial, m0=131.2 g
- Agota el compustible en el instante, tf=5.358 s
- Velocidad de salida de los gases, respecto del cohete, u=780.8 m/s
- Quema combustible a razón, D=8.343 g/s
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
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
- La velocidad del cohete v en función del tiempo, cuando no se tiene en cuenta el rozamiento, en color negro
- Cuando se tiene en cuenta el rozamiento, para los valores del parametro b=5·10-5, 20·10-5 y 50·10-5 kg/m
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
- La altura del cohete x en función del tiempo, cuando no se tiene en cuenta el rozamiento, en color negro
- Cuando se tiene en cuenta el rozamiento, para los valores del parametro b=5·10-5, 20·10-5 y 50·10-5 kg/m
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.