Fondo

Participo cada año en una gran batalla de globos de agua. El choque ocurre entre dos universidades, por lo que puedes imaginar que el compromiso, al menos para algunas personas, es bastante alto. Para darle una idea el año pasado, se arrojaron unos 40000 (eso es 40e3) globos de agua, además de algunas máquinas de guerra caseras, a saber, una catapulta, un trebuchet, algunos arcabuces que funcionan con aire comprimido y demás. La seguridad es, por supuesto, la principal preocupación y nunca más se ha lanzado agua / globos de agua.

Pregunta real

Quiero construir un cañón de agua y me encantaría algunos consejos / ideas. ¿Qué quiero decir con cañón de agua? Me refiero a una máquina capaz de arrojar mucha agua, de 1 a 3 litros, a unos 20 metros como mínimo , en forma de bala de cañón en lugar de una corriente.

¿Es posible que una "gota" de agua mantenga su forma después de recibir un disparo en el aire a cierta velocidad, al menos en un rango limitado? Veo dos desafíos: acelerar el agua y "mantenerla unida" mientras está en el aire. Esto último se puede lograr con un recipiente de plástico (como un globo), mientras que la primera parte puede ser más complicada. Los globos tienden a rasgarse y explotar si se aceleran demasiado, mientras que dejar el globo afuera puede hacer que el segundo desafío sea imposible.

El diseño que estoy considerando podría tener un tanque enorme conectado a uno más pequeño que sirve como "cámara de disparo". Llena la cámara de disparo, luego cierra la línea entre el tanque y la cámara de disparo, luego abre otra línea que lanza el agua a través de un barril. La idea es utilizar aire comprimido, pero mi principal preocupación es que el agua no mantenga una forma de "bola" mientras está en el aire.

Restricciones

La mejor solución para mí sería una que funcione dentro de las limitaciones para la batalla del globo de agua.

• Unos 100 € de coste de material.
• No se permite fuego en el sistema de propulsión, el aire comprimido está bien pero no se permite ningún compresor eléctrico, por lo que la eficiencia es imprescindible. Nuestro arcabuz podría disparar un globo del tamaño de un limón a unos 50 m de distancia en unos 2 atm.
• La seguridad es absolutamente la principal preocupación. Sin ninguna razón, puede haber riesgos para los operadores o los oponentes. Experimentamos con un proyectil de disparo con nuestro arcabuz porque la fricción con el cañón destruiría el globo, y el proyectil estaba asegurado al cañón con muchos cables redundantes para asegurarse de no dispararlo también.

La fuerza laboral y el tiempo son bastante ilimitados si el proyecto es genial. Tenemos algunas habilidades manuales muy altas y muchas herramientas comunes y no tan comunes.

Esta pregunta precisa ha sido investigada en detalle. Como sugirió Olin Lathrop, hay un tamaño máximo de gota. Entonces, las "bolas" de agua tenderán a dividirse en pequeñas gotas. ¿Qué tan grande será la gota estable más grande? La respuesta es que depende de la tensión superficial del agua, qué tan rápido se lanza la gota, el coeficiente de arrastre y la densidad del aire atmosférico. La mayoría de estos tiene poco control, aunque puede obtener un aumento modesto (~ 6%) en la tensión superficial utilizando agua casi congelada (que puede ser ventajoso en esta situación también por otras razones). Simplemente no use agua congelada, ya que si bien eso resolvería el problema de la ruptura, sería extremadamente peligroso.

Aquí hay una ecuación que te da una idea de cómo varían las cosas (del libro Atomization and Sprays de A. Lefebvre ):

donde es el diámetro máximo, es la tensión superficial del agua, es el coeficiente de arrastre de la gota, es la densidad del aire atmosférico y es qué tan rápido se lanza la gota. σ C D ρ a$D_\text{max}$$\sigma$$C_\text{D}$$\rho_\text{a}$$U$

A partir de esta ecuación, puede ver que una tensión superficial más alta es mejor, y los lanzamientos más rápidos perjudican el tamaño de la gota. Al conectar algunos números plausibles, obtengo un tamaño máximo de gota del orden de un centímetro, suponiendo que la velocidad de lanzamiento sea de 10 m / s. Estas gotas no son muy grandes, pero pueden estar bien para su aplicación.

En un punto relacionado, como puede ver en el libro al que me vinculé, no, la "bola" no mantendrá su forma. El libro ofrece una serie de ilustraciones para mostrar las posibles distorsiones que sufrirá la caída antes de separarse ( p . Ej .).

El globo de agua actúa de manera similar a un fluido con una tensión superficial extremadamente (imposiblemente) alta. La tensión en el globo en sí es bastante similar a la tensión superficial. Entonces, creo que es mejor para usted seguir usando globos. Puedes evitar hacer estallar un cañón de aire comprimido con un sabot .

No necesitas nada tan elaborado para lanzar globos de agua con bastante facilidad. En realidad, me expulsaron de un dormitorio en la universidad debido a un "incidente de globo de agua".

Resulta que el tubo quirúrgico es una excelente banda elástica. Puede estirarse hasta aproximadamente 4 veces su longitud de descanso, y es bastante eficiente para liberar la energía almacenada. Usamos aproximadamente 2.5 pies de tubería doblada a cada lado de una canasta. Eso significa que cuando se estira todo el camino hacia atrás, el tubo tenía 10 pies de largo a cada lado. Eso son bastantes kilos de tiro.

Para la canasta utilizamos el embudo de plástico más grande disponible en la tienda de comestibles local. Corte agujeros en los lados opuestos de la parte ancha para cada una de las cuerdas del tubo quirúrgico. El embudo forma una forma agradable para sostener el globo de agua, y el orificio en el extremo pequeño deja entrar aire para que el globo pueda salir de la canasta sin quedar atrapado por la succión de aire.

Este dispositivo simple y barato funcionó muy bien. Estábamos disparando globos de agua de aproximadamente 1 libra, que es casi tan masivo como debería ser con algo que funciona tan rápido. Podríamos disparar fácilmente sobre un ala del dormitorio que estaba a 4 pisos de donde estábamos disparando. Teníamos a las dos personas sosteniendo los extremos sueltos del tubo quirúrgico sentados en una pared de concreto, con la tercera persona debajo en el suelo. El ángulo de lanzamiento fue bastante cercano al óptimo, y diría que podríamos disparar unos 75 metros, tal vez incluso un poco más.

Otra vez estábamos disparando desde el balcón de un dormitorio en una colina, probablemente a unos 20 m de la calle. Aunque el ángulo de lanzamiento era solo moderadamente alto, podíamos disparar al patio detrás de un edificio al otro lado de la calle, probablemente a unos 100 m de distancia horizontal total.

Con dos personas sosteniendo los extremos en un terreno nivelado, no logrará el ángulo de lanzamiento para la distancia máxima, pero probablemente no quiera optimizarlo de todos modos. Siempre puede hacer una plataforma para sostener los extremos del tubo y permitir la rotación de todo el mecanismo para apuntar y cosas similares. Depende de lo elegante que quieras ser. Tres personas es muy barato, móvil, se instala fácilmente y puede disparar y correr fácilmente.

Cambiaste totalmente la pregunta editándola, así que ahora estoy dando una respuesta diferente a la anterior. Dejaré que la respuesta original permanezca porque lo que dice sigue siendo válido, aunque ya no es tan relevante.

No, no puedes disparar "bolas" de agua. El líquido que se mueve por el aire no funciona de esa manera. Cualquier bola que supere el tamaño de la gota se rompería, y las gotas tienen muy poca masa para que su resistencia al aire se pueda disparar la distancia que desee.

Una bola de agua se mantiene unida por su tensión superficial. En un entorno sin peso, puede tener bolas de agua que permanecen juntas. Sin embargo, esto ya no funciona cuando la pelota se mueve por el aire. A medida que aumenta el tamaño de una bola, las fuerzas de presión de aire también aumentan, pero la fuerza de tensión superficial permanece igual. Luego también está la velocidad de la pelota. A medida que el tamaño de la pelota aumenta, la velocidad terminal también aumenta, y las fuerzas aéreas en la pelota van con el cuadrado de la velocidad.

Todo esto significa que las bolas de líquido que se mueven a través del aire tienen un tamaño inherentemente limitado. Eso es lo que es una "gota". Hay una razón por la que las gotas de lluvia solo llegan a cierto tamaño. Una gota de lluvia de tamaño máximo en una nube crecerá a medida que golpea otras micro gotas de nube en el camino hacia abajo. Si crece demasiado, las fuerzas aéreas en él aumentan debido a su tamaño solo. Al mismo tiempo, la velocidad aumenta y la fuerza aérea aumenta con el cuadrado de esa velocidad. Todos estos factores limitan el agua a 1 atm de aire a aproximadamente 50 µl de tamaño.

Opciones

Probablemente sea posible hacer algo similar a lo que quieres. Realmente depende del rango que esté buscando y de cuán preocupado esté por ser una "pelota".

Manguera de fuego

Si una manguera contra incendios puede disparar un chorro de agua, entonces todo lo que necesita es un chorro de agua realmente corto. Puede que no sea una "bola" como la que quieres, pero atraería agua por el campo. Para obtener el rango, es posible que necesite que sea más una transmisión que una ráfaga corta.

Fuente Laminar

Para que un "paquete" compacto de agua permanezca unido, necesitará una boquilla especial y un sistema de agua. Algo similar a esto se usa en las fuentes. Parece que la frase es saltar chorros o fuente laminar . Estas son fuentes que mantienen su forma y tienen un comienzo y un final muy abruptos.

Hay dos factores de control para este tipo de fuentes:

1. Mecanismo de arranque y parada agudo.
2. Agua laminar que fluye.

Comience y pare

Un disco giratorio con un agujero podría crear un patrón repetitivo de encendido / apagado. Esto podría ser alimentado por un taladro inalámbrico o algo similar. La tasa podría ajustarse espaciando los agujeros.

Agua laminar

Mantener el flujo laminar de agua será el mayor problema. El flujo laminar se define cuando el número de Reynolds está por debajo de 2100. Para la situación del agua que fluye en un tubo:

El requisito para que el flujo sea laminar va a restringir la velocidad del agua que sale del tubo. Esto afectará directamente el alcance que disparará el agua. Puede ser que al final no haya tanto rango como desee.

Eche un vistazo a algunos tutoriales de fuente laminar de bricolaje para conocer las diversas formas en que se han creado estas transmisiones. Una pareja que encontré a través de una búsqueda en la web son: Laminar Fountains para las matemáticas y The Laminar Project Forum para otras ideas.

Presión del agua

Parece que tienes límites sobre cómo puedes crear la presión del agua. Usted menciona que el aire comprimido es una opción, por lo que avanzar con un tanque de presión para el agua parece ser el camino más razonable.