Lanzadera para control de incendios forestales

Ha sido importante discutir acerca del más adecuado dispositivo para lanzar el proyectil. El mejor sistema para lo que nosotros queremos debe ser capaz de tener un amplio alcance.

 

En la antigüedad, se desarrolló un dispositivo capaz de lanzar grandes masas (rocas, plomo...) a grandes distancias a través de unos lanzadores conocidos como catapultas (EcuRed, n.d.).

A continuación, se incluirán los distintos tipos de catapultas con sus principales características:

• Catapultas de tensión. Usan el mismo principio que un tirachinas o una ballesta, ya que estos son accionados gracias al estiramiento de un material, como puede ser un hilo; y este intentará volver a su posición original, causando el desplazamiento del brazo que sostendrá el proyectil. El problema de este tipo de catapulta es que la elasticidad (propiedad de los materiales de recuperar su forma, una vez que ha desaparecido la fuerza que los deformaba) se reduce con el uso, al deteriorarse el material estirado, por lo que se vería afectada la fuerza del lanzamiento.

(Ver: Anexo 1)

Hay otro tipo de catapultas de tensión que siguen el mismo principio, salvo que en vez de estirar un hilo de un material, se deforma directamente el brazo que contiene el proyectil. Esta catapulta tiene el mismo problema que el otro tipo de catapultas de torsión: la degradación del material al depender de la elasticidad.

(Ver: Anexo 2)

 

• Catapulta de torsión. Son activadas mediante la fuerza al retorcer  un conjunto de cables. Esta catapulta podría empezar a fallar ya que, al igual que las anteriores, depende de la elasticidad, y esta se ve reducida con el uso del mecanismo accionador.

(Ver: Anexo 3)

  

• Catapulta de contrapeso. Se basa en una palanca, por lo que no tiene el defecto de las anteriores mencionadas. Está compuesta esencialmente por un contrapeso, de una masa cercana a 100 veces el del proyectil, un brazo y un extremo en el que se coloca el objeto a lanzar.  El brazo sobre el que se coloca el proyectil es más largo que el del contrapeso para que salga con más velocidad.

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• Una variante de la anterior catapulta es el trebuchet o fundíbulo. En esta catapulta, en el extremo más largo se coloca una honda para aumentar la longitud del brazo y, por tanto, se hará mayor palanca sin que se ocupe más espacio en reposo, lo que provoca una mayor velocidad de salida del proyectil y un ahorro de material y facilidad de transporte.

(Ver: Anexo 4)

Decidimos que esta era la catapulta que mejor se adaptaba a lo que se necesitaba, por lo que nos dispusimos a hacer los cálculos para verificar lo lejos que podría llevar un proyectil (15kg, masa preestablecida) con un contrapeso de una tonelada (1000kg).

Para ello, hay que determinar algunas variables, que serán:

• Longitud del brazo de la honda: 1,86m.

• Longitud del brazo del contrapeso: 0,5m.

• Longitud de la honda: 0,9m

• Altura del eje: 2,9m

• Altura a la que se situará el contrapeso: 3,3m

En primer lugar, hay que calcular la energía potencial que tiene el contrapeso debido a su altura, que será lo que mueva al fin y al cabo el proyectil. Este dato se obtiene de multiplicar la masa del contrapeso, la gravedad y la altura a la que se halla el contrapeso.

Ep = mgh= 1000*9,8*3,3= 32340 J

La energía potencial, cuando no hay aún movimiento, es igual a la energía mecánica Em. Cuando se deja caer el contrapeso, la energía potencial se va convirtiendo en cinética, sabiendo que la energía mecánica (Em=Ep+Ec) es siempre igual, en este caso 32340 J.

Después, hay que calcular la energía potencial que tiene el contrapeso en su parte más baja; es decir, la diferencia de la altura del eje y la longitud del brazo del contrapeso: 2,9-0,5= 2,4m.

Tras calcular este dato, ya se puede hallar el valor de la energía potencial en la altura mínima del contrapeso (2,4m):

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Ep=mgh= 1000*9,8*2,4= 23500 J

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Como la energía mecánica es la misma en todo el proceso, la energía sobrante (32340-23500=8820 J) será la energía cinética del contrapeso. A partir de este dato, podemos hallar la velocidad que tiene en última instancia:

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Sin embargo, esta es la velocidad lineal del cuerpo, no la angular; por tanto, hay que hallarla:

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La velocidad angular será prácticamente la misma en el otro extremo del eje. Por tanto, la velocidad en el otro extremo será del producto de la velocidad angular y el radio del brazo que tiene el proyectil:

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V= ѡ r= 8,4*1,86= 15,624m/s= 56,25km/h.

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Sin embargo, esta no será la velocidad del proyectil total; la velocidad total será mayor, por el efecto que causa la honda del extremo.

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Debido a que carecemos de los estudios necesarios para calcular su velocidad real, hemos realizado una simulación por ordenador a través del programa Phun:

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Sabiendo la escala a la que se realizaba y midiendo la distancia sobre la pantalla del ordenador, podemos decir que el proyectil ha recorrido 67,78m; una distancia demasiada corta para nuestro objetivo de no acercarnos al fuego. Además, hay que añadir que varía el ángulo de salida del lanzamiento, por lo que la distancia tiene una tolerancia de 20 metros.

 

 

Al ver que la mejor catapulta, desde nuestro punto de vista, no nos era factible, pasamos a buscar un cañón, ya que pensamos que podríamos obtener una mayor potencia de disparo o un mejor alcance.

Existen distintos tipos de cañones, como son el de combustión (usado para caza, la guerra, lanzamiento de patatas (Azaña Yeray, 2009)),  el electromagnético (aún en desarrollo) o el neumático.

 

La opción de usar un cañón de fuego queda descartada, debido a que incurriríamos en un delito de tenencia ilícita de armas de fuego, por lo que no se podría hacer una maqueta. Sin embargo, sería una buena opción a considerar y estudiar.

 

Otra opción es utilizar un cañón electromagnético (el cañón de Gauss, a través de electroimanes, es capaz de acelerar un objeto metálico) (Camilo Hincapié Sebastián, Camilo Avendaño Julián, 2012) para el lanzamiento; sin embargo, esto provocaría que tuviésemos que incluir metal en el proyectil (o, con nanotecnología, añadirle partículas metálicas) lo que produciría un aumento en el precio del proyectil enorme. Se nos ocurrió que el proyectil se encontrase en un recipiente de metal, que sería lo que fuese acelerado a través de los electroimanes y, cuando llegase al final del cañón, hubiese un tope para que el recipiente se quedase en el interior del cañón y el proyectil saliese disparado con la velocidad a la que fuese el depósito antes de ser parado.

A pesar de encontrarle una solución al encarecimiento del proyectil, rechazamos la idea de usar el cañón de Gauss debido al elevado coste de la electrónica, de la energía requerida para acelerar tal cantidad de masa y a que es una tecnología casi experimental.

 

Finalmente, hemos optado por usar un cañón neumático, que utilice las ventajas del aire a presión y el agua.  Esta idea, en parte, surgió a raíz de unos talleres extracurriculares de altas capacidades que cursamos junto a nuestro profesor de Tecnología Industrial en 3º de ESO, fuera de horario escolar. En dicho curso nos familiarizamos con la aerodinámica a un nivel adecuado para nosotros, y en una de las actividades prácticas que realizamos, lanzamos con agua y aire a presión una botella de plástico a la que le dimos propiedades aerodinámicas. Debido a las obvias limitaciones no alcanzó distancias asombrosas, pero cabe destacar que sí que fueron extremadamente satisfactorias para nuestro nivel. Así que, tras todas las opciones desechadas por unas u otras razones, hemos decidido que esta opción es la que mejor se ajusta a nuestras intenciones.