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Ensayo
Lidis Diazgranados, Alejandra Gómez, Kalex Osorio, Andrea Vargas.
Humberto Mosquera Vargas, docente de física en la Fundación Educativa de
Montelíbano.
Fundación Educativa de Montelíbano
Departamento de Física
Montelíbano, Córdoba
2015
Competencia de cohetes propulsados con agua entre los estudiantes PROM 2015
en la Fundación Educativa de Montelíbano
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Intención del ensayo
Con el presente ensayo se desea desarrollar métodos de escritura que se necesitarán
en un futuro no tan lejano, aprovechando las herramientas dadas en clase, y del mismo
modo sacando ventaja del proyecto de cohetes que se realizará en la FEM por parte de
la PROM 2015.
Formulación del problema
Al realizar la competencia comprobaremos la tercera ley de newton, cómo trabaja la
presión y la fuerza externa aplicada a otro cuerpo y cómo alcanzar la distancia
especificada por el profesor. Además de esto nos preguntaremos lo siguiente: ¿Cuáles
van a ser los principios físicos más eficaces a la hora de que el cohete sea propulsado
con agua?
Cohete física termodinámica
Un cohete es un vehículo, aeronave o nave espacial que obtiene su empuje por la
reacción de la expulsión rápida de gases de combustión desde un motor cohete. A
ciertos tipos de cohete se los denomina misil y en este cambio de nombre no interviene
el tamaño o potencia, sino que generalmente se llama misil a todo cohete de uso militar
con capacidad de ser dirigido o manejado activamente para alcanzar un blanco.
Objetivos
Objetivo general
Comprobar:
· La tercera ley de newton
· Cómo trabaja la presión y la fuerza externa aplicada a otro cuerpo
· Alcanzar la distancia especificada por el profesor
· Sentir y experimentar con diversas potencias de agua y aire
· Interés o curiosidad por elementos y fenómenos encontrados en la vida cotidiana
Construir cohetes propulsados por agua para comprender el funcionamiento de varios
principios físicos como:
· El principio de Pascal
· El principio de acción o reacción (La tercera ley de newton)
· Leyes de movimiento como el tiro parabólico
· Caída libre con rozamiento
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· Aerodinámico
Antecedentes de la investigación
En la década de 1960, el japón importó cohetes de agua de juguete fabricados en
Alemania y los Estados Unidos. A mediados de 1980 se realizaron competiciones de
cohetes de agua en Escocia.
Las botellas de polietileno tereftalato (PET) para bebidas gaseosas, que es el material
que se utiliza generalmente para fabricar cohetes de agua, fueron empleadas por
primera vez en 1974 en los Estados Unidos de América y su uso aumentó rápidamente
a medida que se difundieron entre los consumidores.
La idea de fabricar cohetes impulsados por aire a presión surgió en el año 1983 como
proyecto fin de carrera en una universidad de EEUU. Desde entonces, el prototipo de
cohete propulsado con agua ha ido ganando popularidad hasta ser usado por la NASA
en busca de nuevos talentos por colegios americanos.
Pioneros de la cohetería
De nuestros antepasados y de las civilizaciones antiguas, sin importar la cultura, las
diferencias de pensamiento y el lugar del mundo en donde se resida, el cielo y las
estrellas han sido primordiales para la orientación y para el cálculo de factores
esenciales de los pueblos. Es importante destacar a las culturas egipcia y maya, cuyos
avances matemáticos y científicos les permitió tener un conocimiento más profundo de
este y a la vez, aplicar dichos conocimientos en sus vidas y actividades. Estas culturas
lograron predecir eclipses, lograron comprender las fases lunares y determinar los
mejores momentos del a;o para sus cosechas.
Gradualmente, el hombre ha tenido un mejor conocimiento del cosmos pero su deseo
de ampliar dichos conocimientos lo ha llevado en pensar en cosas más trascendentes
como lo es la exploración espacial. Para esto se vio obligado a pensar en los medios.
El cohete tiene origen en el siglo Xlll en China con los Saetas de fuego, elementos
bélicos propulsados por pólvora, es decir, por una reacción química. “Desde entonces
hasta el siglo XVlll la pólvora fue la base de la evolución del cohete, alimentado una
densa y larga se rie de experiencias e intentos bélicos”. Pero el verdadero inicio de la
cohetería se remonta al siglo XIX con Konstantin Eduardovitch Tsiolkovski, profesor de
matemáticas y física ruso, quien contribuyó teóricamente al desarrollo de la
astronáutica. Tsiolkovski hizo un análisis de gran parte de los aspectos técnicos del
vuelo espacial en sus obras “Sueño de la tierra y el cielo” y “La exploración del espacio
cósmico mediante aparatos de reacción”. “El estudioso ruso exploró incluso los
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problemas relativos a la aceleración sugiriendo por vez primera el uso de cohete
polifase para alcanzar la velocidad de fuga y anticipando también el desarrollo de las
estaciones y de las colonias espaciales”.
En otra parte del mundo, Robert Goddard, norteamericano, estudio sobre la dinámica
de los cohetes. En su obra “Un método para alcanzar grandes alturas” postuló la idea
de construir un cohete de combustible líquido, Goddard inició así la experimentación
con cohetes de este tipo. “Aunque apenas voló 2.5 segundos, recorriendo 56 metros a
una velocidad media de 103 km/h, marcó el inicio de una larga serie de experiencias
que llevó a cabo la segunda guerra mundial…”
La construcción de cohetes se formalizó con Wernher Von Braun, prusiano nacido en
1912 que se inició como constructor de cohetes experimentales. Construyó varios
modelos que inicialmente eran financiados por la Luftwaffe, que tenía como interés
principal dotar a sus aviones con misiles balísticas.
Los conflictos en Europa impulsaron el desarrollo de la cohetería y de la milistica en el
mundo.
Justificación del proyecto
Un cohete de agua, es una botella de plástico, parcialmente llena de agua, en la que se
introduce aire a presión para luego dejar que escape por un orificio de salida e impulse
la botella. Al realizar este experimento queremos ver cómo lo estudiado en clase se
puede comprobar de manera sencilla, aun aplicando una de las leyes del gran
matemático Isaac Newton y así demostrar que estas leyes intervienen en cualquier
actividad que realicemos sin necesidad de que sea complejo. Un cohete propulsado por
agua se basa en el mismo principio físico que un auténtico cohete espacial: la famosa
tercera ley de Newton. Esta dice que “por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, este
realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo”. En el
caso de un cohete, la acción propulsar “algo” hacia abajo a través del pico de la botella
las provoca una reacción idéntica de sentido opuesto que empuja al cohete hacia
arriba. Este “algo” que propulsa el cohete se suele llamar “masa de reacción”. La fuerza
que acelera la botella hacia arriba se ve compensada por la fuerza generada por la
“masa de reacción” siendo expulsada hacia abajo en estas botellas, la “masa de
reacción” es agua y esta se ve propulsada hacia abajo por la energía que proporciona
el gas comprimido en la botella.
Marco teórico
Ley de accion y reaccion (tercera ley de newton): Por cada fuerza que actúa sobre
un cuerpo, este realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la
produjo. Dicho de otra forma: Las fuerzas siempre se presentan en pares de igual
magnitud y sentido opuesto y están situadas sobre la misma recta. Esta es la forma
fuerte de la tercera ley, permite enunciar los principios de conservación del momento
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lineal y del angular. El enunciado más simple de esta ley es “para cada acción existe
una reacción igual y contraria” siempre y cuando esté en equilibrio.
Ley de accion y reaccion fuerte de las fuerzas: En la ley de acción y reacción fuerte.
Las fuerzas, además de ser de la misma magnitud y opuestas son colineales/ La forma
fuerte de la ley no se cumple siempre. En particular, la parte magnética de la fuerza de
Lorentz que se ejercen dos partículas en movimiento no son iguales y de signo
contrario. Esto puede verse por cómputo directo. Dadas dos partículas puntuales con
cargas q1 y q2 y velocidades, la fuerza de la partícula 1 sobre la partícula 2 es:
Donde d la distancia entre las dos particular y es el vector director unitario que va de la
partícula 1 a 2. Análogamente, la fuerza de la partícula 2 sobre la partícula 1 es:
Empleando la identidad vectorial, puede verse que la primera fuerza está en el plano
formado por y que la segunda fuerza está en el plano formado por y. Por tanto, estas
fuerzas no siempre resultan estar sobre la misma línea, aunque son de igual magnitud.
Ley de accion y reaccion debil: Como se explicó en la sección anterior ciertos
sistemas magnéticos no cumplen el enunciado fuerte de esta ley (tampoco lo hacen las
fuerzas eléctricas ejercidas entre una carga puntual y un dipolo). Sin embargo si se
relajan algo las condiciones los anteriores sistemas si cumplirian con otra formulacion
mas debil o relajada de la ley de acción y reacción. En concreto los sistemas descritos
que no cumplen la ley en su forma fuerte, si cumplen la ley de acción y reacción en su
forma débil: La acción y la reacción debe ser de la misma magnitud y sentido opuesto (
aunque no necesariamente deben encontrarse sobre la misma línea)
Todas las fuerzas de la mecánica clásica y el electromagnetismo no relativista cumplen
con la formulación débil, si además las fuerzas están sobre la misma línea entonces
también cumplen con la formulación fuerte de la tercera ley de Newton.
Presión: Es una magnitud física que mide la fuerza por unidad de superficie, y sirve
para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una
superficie en el Sistema Internacional de Unidades la presión se mide en una unidad
derivada que se denomina Pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un
newton actuando uniformemente en un metro cuadrado.
Cuando sobre una superficie plana de área A se aplica una fuerza normal F de manera
uniforme y perpendicularmente a la superficie, la presión P viene dada por:
Tiro vertical: Es un movimiento sujeto a la aceleración de la gravedad, solo que ahora
la aceleración se opone al movimiento inicial del objeto (en este caso el cohete). El tiro
vertical comprende subida, bajada de los cuerpos u objetos considerando lo siguiente:
-nunca la velocidad inicial es igual a 0
-Cuando el objeto alcanza su altura máxima, su velocidad en este punto es 0. Mientras
que el objeto se encuentra se subida el signo de la V es positivo; la V es 0 a su altura
máxima cuando comienza a descender su velocidad será negativa.
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-Si el objeto tarda por ejemplo 2s en alcanzar su altura máxima tardará 2s en regresar
a la posición original, por lo tanto el tiempo que permaneció en el aire el objeto es de
4s.
-Para la misma posición del lanzamiento la velocidad de subida es igual a la velocidad
de bajada.
Aire: Se denomina aire a la mezcla de gases que forma la atmósfera terrestre, sujetos
alrededor de la Tierra por la fuerza de gravedad. El aire es esencial para la vida en el
planeta, es particularmente delicado y está compuesto en proporciones ligeramente
variables por sustancias tales como el nitrógeno (78%), oxígeno (21%), vapor de agua
(variable entre 0-7%), ozono, dióxido de carbono, hidrógeno y algunos gases nobles
como el criptón o el argón, es decir, 1% de otras sustancias.
Rozamiento: El rozamiento es la fuerza que se opone al desplazamiento de un cuerpo
en el aire. Se produce cuando el cuerpo está en movimiento y su dirección es contraria
a la del cuerpo. Se puede considerar como fricción aerodinámica en la medida en que
depende de las propiedades tanto del fluido en donde se mueve el cuerpo y del cuerpo
mismo. El rozamiento es a la vez una resistencia aerodinámica en la medida en que
varía dependiendo de la forma del cuerpo en movimiento ya que de este dependen las
variaciones de la presión en el medio.
Definicion de terminos basicos
La energía mecánica (es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un
cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energías potencial y cinética de un cuerpo en
movimiento. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un
trabajo.) Tercera ley de newton. (con toda acción ocurre siempre una reacción igual y
contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en
direcciones opuestas)
La energía cinética de un cuerpo es una energía que surge en el fenómeno del
movimiento. Está definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una
masa dada desde el reposo hasta la velocidad que posee. Una vez conseguida esta
energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que
cambie su rapidez. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un
trabajo negativo de la misma magnitud que su energía cinética.)
Empuje: El empuje es una fuerza mecánica que permite el movimiento de un cuerpo en
el aire. Si se considera la tercera ley de newton, el empuje sería en un cohete de agua
equivalente a la reacción que se produce cuando el agua y el aire comprimido sale por
la boca de la botella. El empuje es producto de la reacción de un fluido que acelera. En
el cohete, la dirección del empuje es hacia arriba y su magnitud depende de la masa de
agua que salga despedida.
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Práctica
Se construirá el cohete con una botella de plástico, o varias alineadas, que servirá de
tanque con su boca colocada hacia abajo haciendo las veces de tobera, y se rellena de
agua en su mayor parte. Entonces se coloca un tapón con una válvula que permita la
introducción del aire a presión, por medio de una bomba de hinchar bicicletas , un
compresor de aire o bombonas de gases no inflamables como CO2 o nitrógeno, o bien
se introduce alguna sustancia efervescente. La colocación del tapón tiene que hacerse
de forma que sea lo suficientemente resistente para resistir cierta presión, pero que sea
capaz de soltarse antes de que la presión interna pueda reventar las paredes de
plástico de la botella o que tenga un sencillo mecanismo que permita quitarlo, a
distancia.
Las presiones que se utilizan para estos lanzamientos generalmente están entre 500 y
1000 KPa. Cuanto mayor sea la presión interna mayor será la energía potencial
acumulada. A mayor cantidad de agua mayor impulso pero también mayor peso por lo
que hay que hacer un balance de estas dos variables para optimizar la altura del
lanzamiento.
Elaboración de hipótesis
El principio físico que será más efectivo será el principio de acción o reacción de
newton, el de las leyes de movimiento parabólico y la caída libre con rozamiento, ya
que estas tres acciones se verán reflejadas con mayor énfasis en el proyecto.
Hipótesis de primer grado: El cohete, gracias a la presión que ejerce el agua, va a
ser disparado y creará una figura con forma parabólica.
Hipótesis de segundo grado: Si la presión del agua es suficientemente fuerte, y el
viento no demuestra ser un punto de complicación para el vuelo, el cohete podrá ser
disparado y viajar formando una parábola, sin complicaciones, llegando al punto que el
profesor y estudiante decidan.
Hipótesis de tercer grado: Existen variables como la velocidad del viento, el ángulo
indicado por el profesor, la calidad de la base y la estructura con la que se haya
realizado, al igual que la estructura del cohete.
Hipótesis nula: La mala estructuración de la base del cohete, y del cohete mismo, no
permitirá que el cohete viaje con la rapidez que se necesita para cumplir con la meta
que se desea.
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Cinta 5000 1 5000
Agarraderas 350 15 5260
Válvula 4000 1 4000
Cronograma
Fechas Realización
24-07-15 Viernes Explicación del profesor acerca del
cohete e investigación del proyecto
21-08-15 Viernes Realización del bosquejo del cohete
22-09-15 Martes Realización del cohete de separación
23-09-15 Miércoles Prueba de disparo
9-11-15 Lunes Prueba de disparo del proyectil de
separación
13-11-15 Viernes Prueba final de ambos proyectiles
(horizontal y vertical)
