Cuerpo proyecto
- 1. COHETE DE AGUA Tabla de Contenido CAPITULO I - PROBLEMA 1. PROBLEMA 1.1 PLANTEAMIENTO Y FORMULACION DEL PROBLEMA 1.2 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO 1.3 OBJETIVOS 1.4 ALCANCE 1.5LIMITACIONES CAPITULO II – MARCO TEÓRICO 2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN 2.2FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.3 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS CAPITULO III – MARCO METODOLOGICO 3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN 3.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 3.3 ANALISIS DE RESULTADOS CONCLUSIONES RECOMENDACIONES ANEXOS 2013 OSWALDOECCI FISICA TERMODINAMICA 02/04/2013
- 2. CAPITULO I .PROBLEMA Demostración de la Ley de Acción y Reacción (Tercera Ley de Newton) mediante la utilización de un Cohete de Agua. 1.1 PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Un cohete de agua es un tipo de cohete que usa agua como propelente de reacción. La cámara de presión, como el motor del cohete, es generalmente una botella de plástico. El agua es lanzada fuera por un gas a presión, normalmente aire comprimido, lo que impulsa el cohete según la 3ª ley de Newton. El principio de funcionamiento es muy sencillo, funciona por el principio de acción - reacción debido al aire introducido en la botella. La propulsión del cohete de agua puede va a producir la expulsión hacia atrás de una parte de su masa (el agua) lo que provocará un empuje que propulsará al resto del sistema hacia delante (acción-reacción), compensándose la cantidad de movimiento total del sistema. La energía mecánica necesaria para la expulsión de esta fracción de masa se almacena en el sistema como energía potencial en forma de gas a presión. Con la expulsión esta energía se irá convirtiendo en energía cinética, las del movimiento del agua y el cohete Esquema de las fuerzas en el interior de un cohete cargado 1.2 JUSTIFICACION 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 como 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, éste 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. 1.3 OBJETIVOS 1.3.1 Objetivo General Construir cohetes propulsados por agua para comprender el funcionamiento de varios
- 3. principios físicos tales como: · Descubrir la relación entre teoría y práctica. · El principio de acción o reacción (3ª ley de Newton). · Leyes de movimiento. 1.3.2 Objetivos Específicos · Adquirir habilidad para pasar del diseño a la realidad · Adquirir habilidad para hacer volar un cohete de acuerdo a principios científicos · Adquirir habilidad para predecir y verificar resultados · Apreciar la importancia de intercambiar información y cooperar entre amigos · Comprender las características científicas del agua, aire y otras materias que damos por sentado en nuestra vida cotidiana. · Comprender las funciones del agua y del aire en la propulsión vertical del cohete. 1.4 ALCANCE Demostrar de manera sencilla y práctica como intervienen las leyes de Newton en el funcionamiento de los Cohetes de Agua. 1.5 LIMITACIONES 1. Mientras sale agua por el orificio La masa es decir; el agua del recipiente no es constante, sino que disminuye con el tiempo. La masa del recipiente es la suma de la carga útil, de la masa de las paredes del recipiente y del agua que contiene en el instante t, por consiguiente va perdiendo velocidad. Cuando se ha agotado el agua Una vez que se ha agotado el agua del depósito, el cohete pierde el impulso y cae a tierra, esto no lo podemos controlar en nuestro experimento. CAPITULO II - MARCO TEORICO 2.1 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 difundían 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. 2.2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS El principio básico que rige cualquier lanzamiento de cohetes, sea cual sea su medio de propulsión, es la 3ª ley de Newton, conocida también como Principio de acción-reacción: 3ª ley de Newton, conocida también como Principio de acción-reacción Reacción
- 4. Cualquier acción aplicada sobre un cuerpo provoca una reacción sobre el mismo cuerpo, de igual magnitud y opuesta a la primera Acción Además de este principio básico, para entender completamente cómo se mueve el cohete hay que tener en cuenta otros elementos que intervienen en el proceso: En primer lugar, la fuerza de la gravedad, que no aparece en el esquema anterior, empuja al cohete hacia abajo. Como es sabido, esta fuerza es mayor cuanta más masa tiene el cohete. En segundo lugar, el rozamiento del aire hace que el cohete no alcance la velocidad teórica que debería alcanzar por las fuerzas que se producen en él. Cuanto más rápido se mueva el cohete, mayor será el rozamiento del aire. Además, el rozamiento del aire depende de la forma del cohete y de varios factores más (densidad del aire, posición del cohete mientras sube...) Todos estos factores son los que determinan cómo se mueve el cohete en cada momento. Hay que tener presente que se trata de un movimiento complicado, porque: La masa del cohete cambia a medida que sube, porque pierde agua. El rozamiento del aire también cambia, porque la velocidad varía. La energía necesaria para proporcionar la acción que impulsará al cohete se almacena en el propelente. En los cohetes de agua, el propelente es el aire, que almacena la energía en forma de presión. Esta energía es transmitida al combustible, que es el agua. En este caso, no puede hablarse propiamente de combustible, porque no hay ninguna reacción química de combustión. Sin embargo, le damos ese nombre por analogía. El agua recibe la presión del aire y es empujada hacia el pico de la botella. La diferencia en las secciones del motor y el pico de a botella produce una enorme aceleración en la salida del agua, y por ello el empuje es muy grande. Explicación El cohete, cuando está a punto de ser lanzado, tiene una energía almacenada en su interior en forma de aire a presión. La presión elevada del aire empuja a todas las superficies con las que está en contacto, incluida la del agua, con una fuerza que es igual a la presión por la superficie. Cuando el pico de la botella se abre y el agua empieza a salir, la fuerza responsable de que el agua salga es sobre todo la debida a la presión interna del aire: El aire empuja al agua hacia fuera, y como la superficie superior del agua es mucho mayor que la inferior, la velocidad que adquiere el agua al salir es muy grande. Por tanto, lo que sucede en el interior del cohete es una conversión de energía: El aire contiene una energía (presión) que se traslada al agua y se convierte en energía cinética (movimiento). La forma de la botella permite que la conversión de energía sea muy eficiente (es decir, que la presión provoque una velocidad muy grande en el agua que sale del cohete). Según la 3ª ley de Newton, la reacción se produce sobre el mismo cuerpo que realiza la acción. En el caso del cohete, es él mismo quien realiza la acción (la conversión de energía), y por tanto la reacción se aplica también sobre él. Como la reacción es de igual magnitud y sentido contrario, cuanto mayor sea el valor de la velocidad de salida del agua mayor será la velocidad de reacción del cohete. 2.3 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS La energía mecánica (es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un
- 5. cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energíaspotencial y cinética de un cuerpo en movimiento. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo.) 3ª 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 laaceleración,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 salen 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. Presión:Se debe tener en cuenta que la presión es la fuerza que se ejerce sobre una unidad de área específica y es perpendicular a la superficie. La presión tiene magnitud pero no tiene dirección. “La presión ejercida por el gas es la que ejercen las moléculas del propio gas. Se le llama presión interna porque actúa desde adentro hacia fuera a través de los choques de sus moléculas con el recipiente que las contiene En cambio, la presión ejercida sobre un gas corresponde a la fuerza que se ejerce sobre él comprimiendo sus moléculas para que ocupen un volumen determinado. Esta se llama presión externa.” 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 dónde 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. CAPITULO III - MARCO METODOLOGICO 3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN Documental porque se investigó en internet los estudios teóricos y experimentos previos realizados en esta área y experimental ya que se llevó a cabo una prueba para comprobar lo que habíamos leído. 3.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1ª Fase: El llenado de "combustible" El cohete va a funcionar utilizando como "combustible", un líquido que propulsará el cohete, en nuestro caso, agua utilizando el principio de acción y reacción. En nuestras pruebas la cantidad óptima es alrededor de 1/3 de la capacidad de la botella, para cantidades mucho mayores,(más de la mitad) la botella despegará con gran parte de
- 6. agua en su interior lo que hará que alcance una menor altura, en caso contrario, si se ha llenado con poca agua, se realiza un menor impulso inicial y también alcanzaremos menor altura, el llenado es pues, una fase importante, debemos, realizar distintas pruebas hasta determinar la cantidad de agua más adecuada. 2ª Fase: El taponado y puesta en marcha Una vez cargada, tapamos nuestra botella con un tapón de corcho o de goma de laboratorio, en el que previamente hemos introducido una aguja de inflador de balones o un canutillo de bolígrafo. Esta es la fase más crítica, en la construcción de los cohetes de agua y de ella depende gran parte del éxito del vuelo, el tapón debe quedar lo más hermético posible, para que en el momento del inflado no pierda agua, además cuanto más apretado este más presión de aire soportará por tanto el impulso inicial y la altura alcanzada será mayor. 3ª Fase: El inflado y despegue Después de taponar bien el cohete y conectar la goma del inflador colocamos, con ayuda de una plataforma, el cohete en posición vertical o inclinada en el caso de que queramos un vuelo parabólico y comenzamos a llenar la botella con ayuda del compresor de bicicleta, debemos tener paciencia porque esta fase puede llevar varios minutos. Al llenar el cohete de aire y comprimirlo estamos aumentando la presión en su interior, cuando la presión llega a un determinado valor el tapón salta y el líquido es desplazado contra el suelo, de esta forma se realiza una fuerza contra el mismo a la que según la tercera ley de Newton se le opone otra fuerza igual y en sentido contrario, esta fuerza es la que hace que los cohetes se eleven. Por lo tanto podemos afirmar, como hemos dicho antes que la altura que toman los cohetes es directamente proporcional a la presión a la que son sometidos los cohetes; esto quiere decir que a mayor presión mayor altura. La presión a la que podemos someter los cohetes está relacionada con lo ajustado que este el tapón, cuanto más ajustado, podremos introducir más aire, y por lo tanto saldrá con mayor velocidad. 4ª Fase: El vuelo y aterrizaje 1. El agua sale hacia abajo impulsando los cohetes, y haciendo que estos salgan despedidos. 2. Debido al rozamiento con el aire, y sobre todo a su peso que los atrae hacia la tierra debido a la atracción gravitatoria, los cohetes tienen una deceleración que los va frenando hasta alcanzar una altura máxima (25-100 m), en este momento su velocidad es 0 m/s. 3. A partir de este momento los cohetes comienzan a descender. 3.3 ANALISIS DE RESULTADOS Es probable que al realizar nuestro primer lanzamiento lo primero que pensemos es “¿Cómo ha podido la botella salir disparada así? La respuesta la encontramos no en uno, sino en dos fenómenos físicos. Para empezar, nuestra válvula nos ha permitido ir acumulando aire dentro de la botella. Aumentando así la cantidad de aire en el interior de la botella, hemos hecho que la presión interna del cohete aumentara progresivamente. El tapón, finalmente, no ha podido soportar el empuje del aire del interior y ha salido disparado permitiendo que el agua saliera del mismo modo que los gases de un reactor. ¿Es importante, entonces, que haya agua, o podríamos prescindir de ella?
- 7. Pensemos un instante (y por supuesto, quien quiera puede realizar la prueba) en qué sucedería si únicamente tuviéramos aire en el “depósito” de nuestro cohete. Cuando, después de hinchar al máximo la botella, el tapón se desprendiera, el aire saldría rápidamente de la botella sin ningún tipo de impedimento. Esto, sin embargo, sucedería demasiado rápidamente para que el cohete pudiera alcanzar apenas unos centímetros de altura, así que al poner el agua, y al salir ésta únicamente a borbotones, el proceso se alarga más en el tiempo. De nada serviría este proceso, no obstante, de no ser por otro que lo complementa para hacer posible el lanzamiento. Para entenderlo, cómo no, recurramos de nuevo a la imaginación, y situémonos en la superficie de un lago helado. ¿Qué podríamos hacer para deslizarnos por la resbaladiza capa de hielo? No nos quedaría más remedio que encontrar algún tipo de soporte y empujarlo en una dirección para empezar a movernos justamente en la contraria. En el caso de nuestro cohete es justamente este fenómeno el que se utiliza para ganar altura. El aire, que se situará en la parte superior de la botella, cuando tenga la presión suficiente como para descorcharla, empujará el agua hacia abajo a toda velocidad. Como reacción, el aire se ve despedido hacia arriba y arrastra en su vuelo la envoltura de plástico que simboliza nuestro intento de asaltar el espacio. De no haber puesto agua en la botella, como se comprenderá, el aire no tendría qué empujar y el despegue no podría tener lugar. ¿Conviene, entonces, llenar la botella al máximo? Decididamente no. Hay que llegar a un compromiso entre la cantidad de agua y el espacio que destinamos a la acumulación del aire. De haber demasiado de la primera la cantidad de aire sería insuficiente para empujar el agua, y de ser la situación la inversa, el agua se agotaría demasiado rápido para permitirnos disfrutar de un vuelo decente. Si suelta un globo inflado, zumbará por todos lados expulsando aire. Se genera una fuerza que lo mueve hacia adelante en “reacción” al aire que está siendo expulsado hacia atrás (“acción”), causando de esta manera que el globo vuele. Esta fuerza reactiva es conocida como “propulsión ”o “empuje” .Ley de Acción y Reacción/Tercera Ley de Newton (principio de propulsión a reacción) Acción Reacción. Reacción el globo expulsa aire para volar El cohete expulsa combustible para ganar altura. El principio de un cohete y de un globo es básicamente el mismo. Se desplazan hacia adelante expulsando el gas presurizado hacia atrás. Asimismo, un cohete es propulsado verticalmente en reacción al gas que está siendo expulsado de su cuerpo. El cohete se carga con combustible sólido o líquido. Al quemarse el combustible se genera un importante empuje debido al gas resultante que se expulsa hacia atrás. El gas, fuertemente presurizado en la cámara de combustión, es expulsado a través de la boquilla (acción), proporcionando el empuje vertical (reacción). Además del combustible, se carga el cohete con oxígeno. El oxígeno permite al cohete quemar su carga de combustible y generar gas de alta velocidad aún en un ambiente sin aire. Los cohetes usan la potencia reactiva para lograr la aceleración en el agua, en el aire y aún en el vacío del espacio. En concreto, hay tres elementos que son muy importantes: La cantidad de agua inicial. El cohete debe su propulsión a la energía almacenada en el
- 8. aire a presión. Esta energía, una vez liberada, se transmite al agua, provocando su salida en chorro a alta velocidad. La alta densidad del agua causa que el empuje sufrido por el cohete sea muy grande. Según esto, cuanta más agua tenga el cohete, mejor. Sin embargo, más agua supone menos aire, y es el aire el que almacena la energía. Por ello hay una cantidad que puede considerarse óptima, y que está en torno a la tercera parte del volumen total del motor del cohete. Ahora bien, ¿cuál es la fuerza generada por la eyección del agua? La Segunda Ley de Newton dice que la fuerza es igual a la variación de la cantidad de movimiento. Podemos expresar la variación de la masa en función del tiempo, esta dependerá de la densidad del agua, del área del agujero por el que sale el agua, y de la velocidad a la que sale esta. Despreciando la velocidad relativa del agua dentro de la botella, podemos decir que el momento se gana casi instantáneamente, por lo que la fuerza sería igual al doble de la presión del aire por el área del agujero de salida La masa en vacío del cohete. Es evidente que si el peso de la estructura del cohete (descontando el agua) es muy grande, el empuje realizado por el agua será menos efectivo. Pero, al mismo tiempo, tampoco es bueno que el cohete sea excesivamente ligero. Un cohete de muy poco peso tendrá una enorme aceleración inicial, pero también tendrá muy poca inercia cuando haya perdido el agua, con lo que el rozamiento del aire lo frenará con gran rapidez, y alcanzará poca altura. La estabilidad del cohete. Un cohete es estable cuando asciende en línea recta, sin desviaciones. Cuando esto sucede, el cohete se mueve del modo más eficaz, es decir, el rozamiento debido al aire es el mínimo, y por ello adquiere mayor velocidad y altura. Para que un cohete sea estable debe cumplirse una regla muy sencilla: el centro de masas del cohete debe estar por encima de su centro de presión. Cuanta mayor sea la distancia entre ambos, más estable será el cohete. Los demás elementos influyen también, pero su repercusión en las prestaciones es mucho menor. CONCLUSIONES Para lograr desarrollar nuestro experimento recurrimos a la tercera Ley de Newton acción- reacción, al ejercer una fuerza en el interior de la botella (aumentando la presión), ésta presión hace que el aire salga despedido hacia abajo, haciendo que el cohete ascienda. El uso del agua no es sino para ralentizar el proceso de expulsión de aire y que la subida dure más. La altura que alcance el cohete, depende de tres factores: -El peso -La cantidad de agua -La fricción Por otro lado, los cohetes de agua vuelan generando un empuje relativamente fuerte en un período corto de tiempo. En otras palabras, los cohetes de agua sufren un proceso de conversión de energía: Energía por compresión del aire, → Energía cinética del aire (expansión), → Energía cinética del agua (expulsión). Las medidas para mejorar el rendimiento del empuje en cohetes de agua son básicamente las mismas que las aplicadas a los cohetes reales. En el caso de un cohete de agua, su capacidad para alcanzar distancias mayores depende de que haya alcanzado
- 9. una velocidad suficientemente elevada cuando se agote su “combustible” (agua y aire presurizado). El cohete se construyó teniendo en cuenta todos los principios teóricos expuestos hasta aquí. En primer lugar hay que resaltar que hay muchas variables sobre las que se puede actuar para modificar el funcionamiento y la eficiencia del cohete: su masa total, el volumen del depósito, la cantidad de agua, la presión del aire, la forma del cohete. Sin embargo, algunos de estos elementos influyen más que otros en un buen funcionamiento. RECOMENDACIONES Se pueden realizar tomando como base este experimento, nuevos experimentos para aumentar la velocidad de expulsión del agua, aumentar la cantidad de agua a serexpulsada y minimizar la resistencia del aire. ANEXOS MATERIALES UTILIZADOS *La botella plástica el cual es un polímero plástico .Este material su principal contaminante es la humedad que existe en todas partes.Lo utilizamos como cohete y es a la que se le envaso el cuarto de agua. El agua es una molécula formada por dos átomos de Hidrógeno y uno de Oxígeno. La unión de esos elementos con diferente electronegatividad proporciona unas características poco frecuentes. .....El corcho es un material natural que ha sido utilizado
- 10. para elaborar diversas cosas, ya sea de forma artesanal o industrial; aunque es más común encontrarlo en forma de tapón para botellas de vino, también se ocupa en la construcción de pisos, láminas aislantes, elementos decorativos, en los automóviles para hacer juntas, en el calzado, en la elaboración de papel, tableros para notas, artículos de pesca y flotadores, entre otros artículos de uso cotidiano. …la aguja de inflar es un elemento que va pegado a la bomba de inflar para conectar la manguerita y darle vuelta para ajustar. La manguera plástica delgada es un objeto plástico que permite el paso de aire o liquido de un envase a otro. La bomba de inflar es un objeto de innovación y revolución que permite una forma de inflado que funciona con todo tipo de válvulas.Este mueve el aire elevando la presión hasta un punto determinado.
- 11. La pega blanca es una cinta adhesiva blanca que sirve para unir dos recipientes evitando que tengas escape. La base de madera que utilizamos es un banco pequeño hecho en madera que además de base sirve para sentarse. Nos sirvió para apoyar la botella que en este caso es el cohete.