Cohete de botella con agua: empuje, masa y altura

Un cohete de botella solo con aire pega un brinco. La misma botella con un tercio de litro de agua sale de la base con fuerza suficiente para que la pierdas un instante contra el cielo. El aire no cambió: lo que cambió es que el cohete ahora tiene algo pesado que lanzar hacia atrás.

Esa es la lección del experimento de cohete de botella con agua, y es medible: varía el llenado, mide la altura, encuentra el máximo. Primero lee la sección de seguridad: este es el único proyecto de la serie que puede lesionar un ojo, y las reglas de abajo son requisitos.

Puntos clave

• Vas a lanzar una botella presurizada con cinco porcentajes de agua y estimar la altura cada vez.
• El concepto es el empuje como masa lanzada por segundo por su velocidad, y por eso el agua le gana al aire.
• Ideal de 9 a 15 años, con un adulto a cargo de cada presurización y cada disparo.
• Lo no negociable: al aire libre, hacia arriba, lentes para todos, línea de retroceso de 8 m, techo de 40 psi, solo botella de refresco de plástico.
• El resultado que vale perseguir: hay un llenado óptimo, cerca de un tercio.

Lo que vas a necesitar

Qué	Cuánto	Dónde conseguirlo	Si no lo tienes
Botella PET de refresco de 1.5 o 2 L	4, sin daños	Tienda	Nada más: no es sustituible
Lanzador hecho para esto, con disparo a distancia	1	Proveedores escolares de ciencia	Nunca improvises uno de corcho
Bomba de bicicleta con manómetro	1	Bicicletería	Sin manómetro no sirve: es equipo de seguridad
Manguera larga, 2 m o más	1	Bicicletería	Para que nadie se pare sobre la botella
Lentes de seguridad	1 por persona presente	Ferretería	Ninguno. No hay sustituto
Folder de plástico	1	Papelería	Para tres aletas
Cinta fuerte	1 rollo	Caja de herramientas	Cinta de ducto o de aislar
Plastilina	un trozo chico	Papelería	Papel mojado. Nunca algo duro
Dos cronómetros	2	Celulares	Dos dan estimación de error
Jarra medidora	1	Cocina	Para medir los llenados
Cuaderno	1	Donde sea	Tres lanzamientos por llenado

Tiempo: preparación 30 min, montaje 20 min, lanzamientos 60 min, limpieza 15 min Costo: el lanzador y los lentes; lo demás es barato o ya es tuyo Nivel de desorden: hazlo afuera y cuenta con mojarte

Haz el experimento del cohete de botella con agua

Paso 1 — Revisa la botella y monta el campo

Revisa cada botella: sin cortes, sin rayones, sin pliegues blanquecinos, sin grietas en la base. Rechaza cualquiera que no esté perfecta. Monta el campo: zona abierta y plana, sin cables de luz, sin nada arriba, sin calles ni ventanas a menos de 20 m. Marca con gis el punto de lanzamiento y una línea de retroceso a 8 m.

Paso 2 — Pon tres aletas y revisa el balance

Corta tres aletas idénticas del folder y pégalas a 120 grados alrededor del tercio inferior de la botella, alineadas con el cuerpo. Pon plastilina dentro de la nariz. Equilibra el cohete vacío con aletas sobre un dedo: el punto de equilibrio tiene que quedar adelante del centro del área de aletas. Saltarte esto produce un cohete que da maromas.

Paso 3 — Llena, monta y despeja la base

Mide el agua con la jarra, empezando con un tercio del volumen. Monta la botella en el lanzador, conecta la manguera larga y revisa el sello. Después todos, sin excepción, caminan detrás de la línea de 8 m. Lentes puestos. Nadie regresa a la base mientras la botella tenga presión.

Paso 4 — Presuriza al techo y lanza

Un adulto bombea, detrás de la línea, mirando el manómetro, y se detiene en 40 psi. No 45. Si la botella cruje, se abomba o se blanquea, deja de bombear y libera la presión a distancia. Cuenta en voz alta para que todos miren arriba y jala el cordón.

Paso 5 — Cronometra el vuelo dos veces

Dos personas arrancan cronómetros al disparo y los detienen cuando el cohete toca el suelo. Divide el promedio entre dos y calcula la altura como la mitad de 9.8 por ese tiempo al cuadrado. Tres lanzamientos con este llenado.

Paso 6 — Varía el llenado y grafica

Repite con llenados de 0, un sexto, un tercio, la mitad y dos tercios, tres lanzamientos cada uno, siempre a 40 psi. Grafica altura estimada contra porcentaje de agua.

Lo que deberías ver: la botella solo con aire alcanza una fracción decepcionante de la cargada con agua. Un tercio de agua a 40 psi suele llegar a 25 o 45 m, con vuelos de cuatro a seis segundos. A dos tercios apenas pasa la altura de la cabeza. Tu curva sube desde cero, llega a un máximo entre un sexto y la mitad, y baja. La dispersión ronda el 20 por ciento, así que tres lanzamientos por punto es el mínimo.

Qué está pasando en realidad

El empuje es la masa que lanzas hacia atrás por segundo multiplicada por qué tan rápido la lanzas, más un término menor por la diferencia de presión en la boquilla (NASA Glenn). Importan los dos factores, y por eso el agua no es opcional: el aire sale rápido pero casi no pesa, y el agua es cientos de veces más densa.

La descripción de la NASA coincide con lo que vas a ver. El cuerpo es una botella de dos litros llenada típicamente a cerca del 40 por ciento con agua, con aletas para estabilidad. Se bombea aire y el empuje viene del agua expulsada por la boquilla. Al salir el agua el volumen de aire aumenta, lo que baja la presión, el flujo de masa y el empuje. Después el cohete vuela como un proyectil balístico con resistencia del aire (NASA Glenn).

Esa presión que cae es la razón de que exista un llenado óptimo y no un “más agua es mejor”. Con poca agua te quedas sin propelente de inmediato; con demasiada levantas peso muerto y el aire se despresuriza en centésimas de segundo. La cantidad de fondo es la relación de masas, masa llena entre masa vacía, que fija cuánta velocidad entrega un propelente (NASA Glenn); tu curva explora el mismo compromiso que decide cuántas etapas necesita un cohete real.

La estabilidad es otro problema y la causa habitual de que un cohete falle. Una botella sin aletas da maromas porque las fuerzas aerodinámicas actúan demasiado cerca del centro de gravedad. Las aletas mueven ese centro de presión hacia la cola, y el requisito es que quede detrás del centro de gravedad (NASA Glenn).

Una palabra honesta sobre las alturas. La fórmula de caída libre ignora la resistencia del aire, grande en una botella chata, así que tus alturas estarán sobreestimadas un 10 a 30 por ciento. Lo que el método sí acierta es la comparación entre llenados: el orden es confiable y el número no.

Cómo explicárselo a tu hijo

De 5 a 8 años: solo de público, y está bien

Un niño de cinco mira desde detrás de la línea con lentes, no lanza. Pregúntale antes de cada disparo si gana más agua o menos. Después dile que el cohete sube porque tira agua hacia abajo, y cuanta más tira más fuerte se empuja, hasta que pesa demasiado para levantarse.

De 9 a 12 años: dos cosas hacen el empuje

Presenta los dos factores: cuánta materia sale por segundo y qué tan rápido. El aire sale rápido pero no pesa; el agua es pesada. Después plantea el acertijo: si más agua da más empuje, ¿por qué una botella llena casi no se mueve? Deja que llegue a que la botella también tiene que levantar el agua y al aire no le queda espacio.

De 13 en adelante: relación de masas y barras de error honestas

Escribe el empuje como flujo de masa por velocidad de salida y razonen cómo cambian mientras la botella se vacía. Calculen la relación de masas en cada llenado y relaciónenla con la altura medida. Cierren comparando los dos cronómetros y discutiendo por qué la resistencia del aire sesga todas las alturas igual. Un experimento con incertidumbre declarada vale más que cinco sin ella.

La pregunta que debes hacer: “Si lo llenáramos de miel en lugar de agua, ¿qué pasaría?” (El empuje subiría porque la miel es más densa, pero sale más despacio y el cohete pesa más, así que el resultado no es obvio. Es buena pregunta porque exige pesar dos efectos y no recordar uno.)

¿Y en América Latina?

Los materiales están a la mano: botellas PET de 2 L en cualquier tienda, inflador con manómetro en cualquier bicicletería, folder en la papelería y lentes de obra en la ferretería. Lo único que conviene comprar bien es el lanzador: de esa pieza depende la seguridad.

Y aquí va la advertencia regional más importante. En buena parte de la región los cables de energía cuelgan bajos sobre calles, canchas y potreros, muchas veces a pocos metros. Un cohete de botella llega fácil a 30 o 40 metros, así que mira hacia arriba antes de elegir el lugar y no lances si hay cualquier cable a la vista. Tampoco en una azotea, ni en un patio de luz, ni en el patio de un edificio con ventanas alrededor. Una cancha despejada, un parque grande o un potrero son los lugares correctos.

Sobre la altura de tu ciudad hay un efecto real y medible. El manómetro mide presión relativa, así que la diferencia que impulsa el agua es la misma al nivel del mar y en altura. Pero el aire de Bogotá, Quito o La Paz es menos denso, así que la resistencia es menor y el mismo cohete debería llegar más alto. Si tienes familia en otra ciudad, armen cohetes iguales y comparen tiempos de vuelo. Para seguir, mira nuestras guías del cohete de globo sobre un hilo, que es la versión segura para los más chicos, y de experimentos de presión de aire.

Por qué enseñar esto temprano vale la pena

Los cohetes son el lugar donde casi todos los niños ya tienen un modelo equivocado: que los gases empujan contra el suelo o el aire. Construir uno cuyo propelente puedes ver y pesar lo reemplaza con la idea correcta: avanzas lanzando masa hacia atrás. Es también por lo que un cohete real es casi todo propelente en peso.

El segundo beneficio es la optimización. Casi toda la ciencia escolar da resultados monótonos, donde más de algo da más de otra cosa. Aquí la respuesta es un máximo, y encontrarlo exige una serie de mediciones. El marco del National Research Council pone planear investigaciones y analizar datos entre las prácticas centrales (NRC, 2012). Y con honestidad: una tarde de lanzamientos no define una carrera, pero deja un conjunto de datos propio y un óptimo que el adolescente encontró en lugar de que se lo dijeran.

Antes de empezar: lo que los papás deben saber

Mejor edad	De 9 a 15 años para participar. Los más chicos miran desde detrás de la línea, con lentes
Supervisión	Un adulto hace cada presurización y cada disparo, desde detrás de la línea, con el manómetro a la vista. Sin excepciones y sin turnos
Riesgos reales	Lesión ocular por una botella que revienta o por el cohete al salir. También un cohete golpeando a alguien, una botella fallando mientras alguien se asoma y un cohete pegándole a un cable de luz
No hagas esto	Solo botella PET de refresco. Nunca vidrio. Nunca un envase reutilizado de otra cosa: ni garrafas de leche, ni botellas de jugo, ni envases de limpiadores o químicos. Nunca pases de 40 psi. Nunca apuntes a otro lado que hacia arriba, y nunca a una persona, un animal, una casa, una calle o una ventana

El juego de reglas completo, y todas importan. Solo al aire libre, en zona abierta y plana, sin nada encima, sin cables de energía y sin calles, ventanas ni personas a menos de 20 m. Una sola dirección: hacia arriba, con el lanzador vertical en piso parejo, decidida antes del primer disparo. Lentes de seguridad en toda persona presente, incluidos los espectadores, porque una botella que revienta manda fragmentos de lado. Una línea de retroceso de 8 m marcada con gis, detrás de la cual está todo el mundo antes de presurizar y que nadie cruza hasta que el cohete aterrizó y el lanzador se ventiló. Un techo de 40 psi leído en manómetro, porque la botella es un recipiente a presión y la presión es todo el riesgo. Disparo a distancia y manguera larga, para que nadie, ni quien bombea, esté al alcance de una botella presurizada.

Dos cosas más. Retira una botella después de unas 20 presurizaciones, y de inmediato al primer pliegue blanquecino, abombamiento o rayón: el PET se fatiga y una botella cansada falla sin avisar. Y mantén la nariz blanda: plastilina o papel mojado es peso de nariz, mientras un cono de madera, un tornillo o una pelota dura es un proyectil. Un cohete que baja de nariz desde 40 m debería ser algo que no te importe que te pegue.

Cuando no funciona

El aire se escapa silbando y la presión nunca sube. El sello entre el tubo y la boca de la botella no está asentado, o la conexión de la bomba fuga. Reacomoda el empaque, mójalo y revisa la manguera. Nunca arregles una fuga bombeando más fuerte.

Da maromas en lugar de volar derecho. El centro de presión no está detrás del centro de gravedad. Pon más plastilina en la nariz o aletas más grandes, y repite la prueba del dedo del Paso 2.

Sale en tirabuzón y se va de lado. Aletas mal alineadas: las tres van paralelas al eje y a 120 grados. Una torcida unos grados hace girar todo el cohete, y un cohete que se desvía es un problema de seguridad: arréglalo antes del siguiente disparo.

Te tienta armar un lanzador de corcho. No lo hagas. Un tapón metido a presión dispara cuando la fricción cede, un momento impredecible y muchas veces con una mano todavía cerca. Todo lo que hace seguro este proyecto depende de que el disparo sea deliberado y a distancia. Usa un lanzador hecho para esto, con disparo remoto, o no lances.

Las alturas salen muy dispares. Parte es real: llenado, sello y viento varían. Revisa primero el viento, porque más que una brisa ligera arruina los datos y la seguridad. Después revisa que lees 40 psi igual cada vez y que mides el agua.

Para llevarlo más lejos

Encuentra el llenado óptimo en serio. Siete llenados en lugar de cinco, tres lanzamientos cada uno a 40 psi, con la mediana graficada y la incertidumbre de tus dos cronómetros. La posición del máximo es el resultado.

Grafica altura contra presión. Fija el llenado en tu óptimo y lanza a 20, 30 y 40 psi, tres veces cada uno. Nunca por encima de 40. La relación no es lineal porque la energía almacenada sube más rápido que la presión.

Mide el costo de la resistencia del aire. Con llenado y presión fijos, lanza con aletas solas y después con aletas más un cono de papel. El cono debería comprarte altura medible.

Qué observar en los próximos 3 meses

• Semana 4: explica solo por qué un cohete necesita masa de propelente y no nada más presión.
• Mes 2: nota las etapas en un video de lanzamiento y lo conecta con cargar peso muerto.
• Mes 3: pregunta por otro propelente o un cohete de dos botellas. Fomenta el cálculo y el dibujo, y deja el techo de 40 psi y los lentes donde están.

Preguntas frecuentes

¿Por qué necesita agua?

Porque el empuje depende de cuánta masa lanzas hacia atrás cada segundo y de qué tan rápido. El aire casi no pesa, así que el empuje es chico. El agua le da un propelente denso, y por eso le gana por mucho a una botella con solo aire.

¿Cuánta agua es lo óptimo?

Cerca de un tercio del volumen, y la NASA describe un llenado típico de alrededor del 40 por ciento. El óptimo exacto depende de tu botella, presión y masa, y por eso encontrarlo midiendo es el punto.

¿Qué presión es segura?

Toma 40 psi como techo absoluto, leído en manómetro, con un adulto bombeando detrás de la línea. Detente de inmediato si la botella cruje, se abomba o muestra un pliegue blanquecino: es un recipiente a presión y la presión es todo el riesgo.

¿Puedo usar otra botella?

Solo una botella PET de refresco sin daños, de 1.5 o 2 litros. Nunca vidrio y nunca un envase reutilizado, como una garrafa de leche o una botella de limpiador: esos plásticos no están hechos para presión interna y pueden fallar en pedazos filosos.

¿De verdad hacen falta lentes si es solo agua?

Sí, para toda persona presente, incluidos los que solo miran. El riesgo no es el agua: es una botella fallando bajo presión y lanzando fragmentos de lado, y un cohete que regresa al suelo más rápido de lo que esperas. Los lentes de obra son baratos y suficientes; la guía de OSHA explica la norma.

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Sobre el autor

Ricky Flores es el fundador de HiWave Makers e ingeniero eléctrico con más de 15 años de experiencia desarrollando tecnología de consumo en Apple, Samsung y Texas Instruments. Escribe sobre cómo los niños aprenden a construir, pensar y crear en un mundo saturado de tecnología. Lee más en hiwavemakers.com.

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Fuentes

1. NASA Glenn Research Center. “Flight of a Water Rocket.” Beginner’s Guide to Aeronautics. https://www1.grc.nasa.gov/beginners-guide-to-aeronautics/flight-of-a-water-rocket/
2. NASA Glenn Research Center. “Fun with Bottle Rockets.” Beginner’s Guide to Aeronautics. https://www1.grc.nasa.gov/beginners-guide-to-aeronautics/fun-with-bottle-rockets/
3. NASA Glenn Research Center. “Thrust.” Beginner’s Guide to Aeronautics. https://www1.grc.nasa.gov/beginners-guide-to-aeronautics/thrust-force/
4. NASA Glenn Research Center. “Mass Ratios.” Beginner’s Guide to Aeronautics. https://www1.grc.nasa.gov/beginners-guide-to-aeronautics/mass-ratios/
5. NASA Glenn Research Center. “Conditions for Rocket Stability.” Beginner’s Guide to Aeronautics. https://www1.grc.nasa.gov/beginners-guide-to-aeronautics/conditions-for-rocket-stability/
6. Occupational Safety and Health Administration. “Eye and Face Protection.” U.S. Department of Labor. https://www.osha.gov/eye-face-protection
7. National Research Council. (2012). A Framework for K-12 Science Education. National Academies Press. https://doi.org/10.17226/13165