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Cuerpo proyecto

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  1. 1. COHETE DE AGUATabla de ContenidoCAPITULO I - PROBLEMA1. PROBLEMA1.1 PLANTEAMIENTO Y FORMULACION DEL PROBLEMA1.2 JUSTIFICACIÓN DEL PROYECTO1.3 OBJETIVOS1.4 ALCANCE1.5LIMITACIONESCAPITULO II – MARCO TEÓRICO2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN2.2FUNDAMENTOS TEÓRICOS2.3 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOSCAPITULO III – MARCO METODOLOGICO3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN3.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL3.3 ANALISIS DE RESULTADOSCONCLUSIONESRECOMENDACIONESANEXOS2013OSWALDOECCIFISICA TERMODINAMICA02/04/2013
  2. 2. CAPITULO I .PROBLEMADemostración de la Ley de Acción y Reacción (Tercera Ley de Newton) mediante lautilización de un Cohete de Agua.1.1 PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMAUn cohete de agua es un tipo de cohete que usa agua como propelente de reacción. Lacámara de presión, como el motor del cohete, es generalmente una botella de plástico. Elagua es lanzada fuera por un gas a presión, normalmente aire comprimido, lo que impulsael 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 unaparte de su masa (el agua) lo que provocará un empuje que propulsará al resto delsistema hacia delante (acción-reacción), compensándose la cantidad de movimiento totaldel sistema.La energía mecánica necesaria para la expulsión de esta fracción de masa se almacenaen el sistema como energía potencial en forma de gas a presión. Con la expulsión estaenergía se irá convirtiendo en energía cinética, las del movimiento del agua y el coheteEsquema de las fuerzas en el interior de un cohete cargado1.2 JUSTIFICACION DEL PROYECTOUn cohete de agua, es una botella de plástico, parcialmente llena de agua, en la que seintroduce aire a presión para luego dejar que escape por un orificio de salida e impulse labotella.Al realizar este experimento queremos ver como lo estudiado en clase se puedecomprobar de manera sencilla, aun aplicando una de las leyes del gran matemático IsaacNewton y así demostrar que estas leyes intervienen en cualquier actividad que realicemossin necesidad de que sea complejo.Un cohete propulsado por agua se basa en el mismo principio físico que unauténtico cohete espacial: la famosa Tercera Ley de Newton. Esta dice que "Por cadafuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza igual pero de sentido opuestosobre el cuerpo que la produjo". En el caso de un cohete, la acción propulsar "algo" haciaabajo a través del pico de la botella las provoca una reacción idéntica de sentido opuestoque empuja al cohete hacia arriba. Este "algo" que propulsa el cohete se suele llamarmasa de reacción.La fuerza que acelera la botella hacia arriba se ve compensada por la fuerza generadapor la masa de reacción siendo expulsada hacia abajo. En estas botellas, la masa dereacción es agua, y esta se ve propulsada hacia abajo por la energía que proporciona elgas comprimido en la botella.1.3 OBJETIVOS1.3.1 Objetivo GeneralConstruir cohetes propulsados por agua para comprender el funcionamiento de varios
  3. 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 porsentado en nuestra vida cotidiana.· Comprender las funciones del agua y del aire en la propulsión vertical del cohete.1.4 ALCANCEDemostrar de manera sencilla y práctica como intervienen las leyes de Newton en elfuncionamiento de los Cohetes de Agua.1.5 LIMITACIONES1. Mientras sale agua por el orificioLa masa es decir; el agua del recipiente no es constante, sino que disminuye con eltiempo. La masa del recipiente es la suma de la carga útil, de la masa de las paredes delrecipiente y del agua que contiene en el instante t, por consiguiente va perdiendovelocidad.Cuando se ha agotado el aguaUna vez que se ha agotado el agua del depósito, el cohete pierde el impulso y cae atierra, esto no lo podemos controlar en nuestro experimento.CAPITULO II - MARCO TEORICO2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓNEn la década de 1960, el Japón importó cohetes de agua de juguete fabricados enAlemania y los Estados Unidos. A mediados de 1980 se realizaron competiciones decohetes de agua en Escocia.Las botellas de polietileno tereftalato (PET) para bebidas gaseosas, que es el material quese utiliza generalmente para fabricar cohetes de agua, fueron empleadas por primera vezen 1974 en los Estados Unidos de América y su uso aumentó rápidamente a medida quese difundían entre los consumidores.La idea de fabricar cohetes impulsados por aire a presión surgió en el año 1983 comoproyecto fin de carrera en una universidad de EEUU. Desde entonces, el prototipo decohete propulsado con agua ha ido ganando popularidad hasta ser usado por la NASA enbusca de nuevos talentos por colegios americanos.2.2 FUNDAMENTOS TEÓRICOSEl principio básico que rige cualquier lanzamiento de cohetes, sea cual sea su medio depropulsión, es la 3ª ley de Newton, conocida también como Principio de acción-reacción:3ª ley de Newton, conocida también como Principio de acción-reacciónReacción
  4. 4. Cualquier acción aplicada sobre un cuerpo provoca una reacción sobre el mismo cuerpo,de igual magnitud y opuesta a la primeraAcciónAdemás de este principio básico, para entender completamente cómo se mueve el cohetehay 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, empujaal cohete hacia abajo. Como es sabido, esta fuerza es mayor cuanta más masa tiene elcohete.En segundo lugar, el rozamiento del aire hace que el cohete no alcance la velocidadteórica que debería alcanzar por las fuerzas que se producen en él. Cuanto más rápido semueva el cohete, mayor será el rozamiento del aire. Además, el rozamiento del airedepende de la forma del cohete y de varios factores más (densidad del aire, posición delcohete mientras sube...)Todos estos factores son los que determinan cómo se mueve el cohete en cadamomento. 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 enel propelente. En los cohetes de agua, el propelente es el aire, que almacena la energíaen 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 ningunareacción química de combustión. Sin embargo, le damos ese nombre por analogía. Elagua recibe la presión del aire y es empujada hacia el pico de la botella. La diferencia enlas secciones del motor y el pico de a botella produce una enorme aceleración en la salidadel agua, y por ello el empuje es muy grande.ExplicaciónEl cohete, cuando está a punto de ser lanzado, tiene una energía almacenada en suinterior en forma de aire a presión. La presión elevada del aire empuja a todas lassuperficies con las que está en contacto, incluida la del agua, con una fuerza que es iguala la presión por la superficie.Cuando el pico de la botella se abre y el agua empieza a salir, la fuerza responsable deque el agua salga es sobre todo la debida a la presión interna del aire: El aire empuja alagua 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 airecontiene 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 muyeficiente (es decir, que la presión provoque una velocidad muy grande en el agua que saledel cohete).Según la 3ª ley de Newton, la reacción se produce sobre el mismo cuerpo que realiza laacción. En el caso del cohete, es él mismo quien realiza la acción (la conversión deenergía), y por tanto la reacción se aplica también sobre él. Como la reacción es de igualmagnitud y sentido contrario, cuanto mayor sea el valor de la velocidad de salida del aguamayor será la velocidad de reacción del cohete.2.3 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOSLa energía mecánica (es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un
  5. 5. cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energíaspotencial y cinética de un cuerpo enmovimiento. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuarun 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 direccionesopuestas.)La energía cinética de un cuerpo es una energía que surge en el fenómeno delmovimiento. Está definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de unamasa dada desde el reposo hasta la velocidad que posee. Una vez conseguida estaenergía durante laaceleración,el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambiesu rapidez. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajonegativo de la misma magnitud que su energía cinética.)Empuje: El empuje es una fuerza mecánica que permite el movimiento de un cuerpo en elaire. Si se considera la Tercera ley de Newton, el empuje sería en un cohete de aguaequivalente a la reacción que se produce cuando el agua y el aire comprimido salen por laboca de la botella. El empuje es producto de la reacción de un fluido que acelera. En elcohete, la dirección del empuje es hacia arriba y su magnitud depende de la masa deagua que salga despedida.Presión:Se debe tener en cuenta que la presión es la fuerza que se ejerce sobre unaunidad de área específica y es perpendicular a la superficie.La presión tiene magnitud pero no tiene dirección. “La presión ejercida por el gas es laque ejercen las moléculas del propio gas. Se le llama presión interna porque actúa desdeadentro hacia fuera a través de los choques de sus moléculas con el recipiente que lascontiene En cambio, la presión ejercida sobre un gas corresponde a la fuerza que seejerce 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 enel aire. Se produce cuando el cuerpo está en movimiento y su dirección es contraria a ladel cuerpo. Se puede considerar como fricción aerodinámica en la medida en quedepende de las propiedades tanto del fluido en dónde se mueve el cuerpo y del cuerpomismo.El rozamiento es a la vez una resistencia aerodinámica en la medida en que varíadependiendo de la forma del cuerpo en movimiento ya que de este dependen lasvariaciones de la presión en el medio.CAPITULO III - MARCO METODOLOGICO3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓNDocumental porque se investigó en internet los estudios teóricos y experimentos previosrealizados en esta área y experimental ya que se llevó a cabo una prueba para comprobarlo que habíamos leído.3.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL1ª Fase: El llenado de "combustible"El cohete va a funcionar utilizando como "combustible", un líquido que propulsará elcohete, 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. 6. agua en su interior lo que hará que alcance una menor altura, en caso contrario, si se hallenado con poca agua, se realiza un menor impulso inicial y también alcanzaremos menoraltura, el llenado es pues, una fase importante, debemos, realizar distintas pruebas hastadeterminar la cantidad de agua más adecuada.2ª Fase: El taponado y puesta en marchaUna vez cargada, tapamos nuestra botella con un tapón de corcho o de goma delaboratorio, en el que previamente hemos introducido una aguja de inflador de balones oun canutillo de bolígrafo.Esta es la fase más crítica, en la construcción de los cohetes de agua y de ella dependegran parte del éxito del vuelo, el tapón debe quedar lo más hermético posible, para que enel momento del inflado no pierda agua, además cuanto más apretado este más presión deaire soportará por tanto el impulso inicial y la altura alcanzada será mayor.3ª Fase: El inflado y despegueDespués de taponar bien el cohete y conectar la goma del inflador colocamos, con ayudade una plataforma, el cohete en posición vertical o inclinada en el caso de que queramosun vuelo parabólico y comenzamos a llenar la botella con ayuda del compresor debicicleta, 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 desplazadocontra el suelo, de esta forma se realiza una fuerza contra el mismo a la que según latercera ley de Newton se le opone otra fuerza igual y en sentido contrario, esta fuerza esla que hace que los cohetes se eleven.Por lo tanto podemos afirmar, como hemos dicho antes que la altura que toman loscohetes 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 queeste el tapón, cuanto más ajustado, podremos introducir más aire, y por lo tanto saldrácon mayor velocidad.4ª Fase: El vuelo y aterrizaje1. El agua sale hacia abajo impulsando los cohetes, y haciendo que estos salgandespedidos.2. Debido al rozamiento con el aire, y sobre todo a su peso que los atrae hacia la tierradebido a la atracción gravitatoria, los cohetes tienen una deceleración que los va frenandohasta 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 RESULTADOSEs 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 iracumulando aire dentro de la botella. Aumentando así la cantidad de aire en el interior dela botella, hemos hecho que la presión interna del cohete aumentara progresivamente. Eltapón, finalmente, no ha podido soportar el empuje del aire del interior y ha salidodisparado 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. 7. Pensemos un instante (y por supuesto, quien quiera puede realizar la prueba) en quésucedería si únicamente tuviéramos aire en el “depósito” de nuestro cohete. Cuando,después de hinchar al máximo la botella, el tapón se desprendiera, el aire saldríarápidamente de la botella sin ningún tipo de impedimento. Esto, sin embargo, sucederíademasiado rápidamente para que el cohete pudiera alcanzar apenas unos centímetros dealtura, así que al poner el agua, y al salir ésta únicamente a borbotones, el proceso sealarga más en el tiempo.De nada serviría este proceso, no obstante, de no ser por otro que lo complementa parahacer posible el lanzamiento. Para entenderlo, cómo no, recurramos de nuevo a laimaginación, 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 unadirección para empezar a movernos justamente en la contraria.En el caso de nuestro cohete es justamente este fenómeno el que se utiliza para ganaraltura. El aire, que se situará en la parte superior de la botella, cuando tenga la presiónsuficiente como para descorcharla, empujará el agua hacia abajo a toda velocidad. Comoreacción, el aire se ve despedido hacia arriba y arrastra en su vuelo la envoltura deplástico que simboliza nuestro intento de asaltar el espacio.De no haber puesto agua en la botella, como se comprenderá, el aire no tendría quéempujar 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 espacioque destinamos a la acumulación del aire. De haber demasiado de la primera la cantidadde aire sería insuficiente para empujar el agua, y de ser la situación la inversa, el agua seagotaría demasiado rápido para permitirnos disfrutar de un vuelo decente.Si suelta un globo inflado, zumbará por todos lados expulsando aire. Se genera unafuerza que lo mueve hacia adelante en “reacción” al aire que está siendo expulsado haciaatrás (“acción”), causando de esta manera que el globo vuele. Esta fuerza reactiva esconocida 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 ganaraltura. 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 siendoexpulsado de su cuerpo. El cohete se carga con combustible sólido o líquido. Al quemarseel combustible se genera un importante empuje debido al gas resultante que se expulsahacia atrás. El gas, fuertemente presurizado en la cámara de combustión, es expulsado através de la boquilla (acción), proporcionando el empuje vertical (reacción). Además delcombustible, se carga el cohete con oxígeno.El oxígeno permite al cohete quemar su carga de combustible y generar gas de altavelocidad aún en un ambiente sin aire. Los cohetes usan la potencia reactiva para lograrla 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. 8. aire a presión. Esta energía, una vez liberada, se transmite al agua, provocando su salidaen chorro a alta velocidad. La alta densidad del agua causa que el empuje sufrido por elcohete sea muy grande. Según esto, cuanta más agua tenga el cohete, mejor. Sinembargo, más agua supone menos aire, y es el aire el que almacena la energía. Por ellohay una cantidad que puede considerarse óptima, y que está en torno a la tercera partedel volumen total del motor del cohete. Ahora bien, ¿cuál es la fuerza generada por laeyección del agua? La Segunda Ley de Newton dice que la fuerza es igual a la variaciónde la cantidad de movimiento. Podemos expresar la variación de la masa en función deltiempo, esta dependerá de la densidad del agua, del área del agujero por el que sale elagua, y de la velocidad a la que sale esta. Despreciando la velocidad relativa del aguadentro de la botella, podemos decir que el momento se gana casi instantáneamente, porlo que la fuerza sería igual al doble de la presión del aire por el área del agujero de salidaLa 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 menosefectivo. Pero, al mismo tiempo, tampoco es bueno que el cohete sea excesivamenteligero. Un cohete de muy poco peso tendrá una enorme aceleración inicial, pero tambiéntendrá muy poca inercia cuando haya perdido el agua, con lo que el rozamiento del aire lofrenará con gran rapidez, y alcanzará poca altura.La estabilidad del cohete. Un cohete es estable cuando asciende en línea recta, sindesviaciones. Cuando esto sucede, el cohete se mueve del modo más eficaz, es decir, elrozamiento debido al aire es el mínimo, y por ello adquiere mayor velocidad y altura. Paraque un cohete sea estable debe cumplirse una regla muy sencilla: el centro de masas delcohete debe estar por encima de su centro de presión. Cuanta mayor sea la distanciaentre ambos, más estable será el cohete.Los demás elementos influyen también, pero su repercusión en las prestaciones esmucho menor.CONCLUSIONESPara 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), éstapresión 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 subidadure más.La altura que alcance el cohete, depende de tres factores:-El peso-La cantidad de agua-La fricciónPor otro lado, los cohetes de agua vuelan generando un empuje relativamente fuerte enun período corto de tiempo. En otras palabras, los cohetes de agua sufren un proceso deconversión de energía:Energía por compresión del aire, → Energía cinética del aire (expansión), → Energíacinética del agua (expulsión).Las medidas para mejorar el rendimiento del empuje en cohetes de agua sonbásicamente las mismas que las aplicadas a los cohetes reales. En el caso de un cohetede agua, su capacidad para alcanzar distancias mayores depende de que haya alcanzado
  9. 9. una velocidad suficientemente elevada cuando se agote su “combustible” (agua y airepresurizado).El cohete se construyó teniendo en cuenta todos los principios teóricos expuestos hastaaquí. En primer lugar hay que resaltar que hay muchas variables sobre las que se puedeactuar para modificar el funcionamiento y la eficiencia del cohete: su masa total, elvolumen del depósito, la cantidad de agua, la presión del aire, la forma del cohete. Sinembargo, algunos de estos elementos influyen más que otros en un buen funcionamiento.RECOMENDACIONESSe pueden realizar tomando como base este experimento, nuevos experimentos paraaumentar la velocidad de expulsión del agua, aumentar la cantidad de agua aserexpulsada y minimizar la resistencia del aire.ANEXOSMATERIALES UTILIZADOS*La botella plástica el cual es un polímero plástico .Este material su principal contaminantees la humedad que existe en todas partes.Lo utilizamos como cohete y es a la que se leenvaso el cuarto de agua.El agua es una molécula formada por dos átomos de Hidrógeno y uno deOxígeno. La unión de esos elementos con diferente electronegatividad proporciona unascaracterísticas poco frecuentes......El corcho es un material natural que ha sido utilizado
  10. 10. para elaborar diversas cosas, ya sea de forma artesanal o industrial; aunque es máscomún encontrarlo en forma de tapón para botellas de vino, también se ocupa en laconstrucción de pisos, láminas aislantes, elementos decorativos, en los automóviles parahacer juntas, en el calzado, en la elaboración de papel, tableros para notas, artículos depesca y flotadores, entre otros artículos de uso cotidiano.…la aguja de inflar es un elemento que va pegado a la bomba de inflarpara conectar la manguerita y darle vuelta para ajustar.La manguera plástica delgada es un objeto plástico quepermite el paso de aire o liquido de un envase a otro.La bomba de inflar es un objeto de innovación y revolución quepermite una forma de inflado que funciona con todo tipo de válvulas.Este mueve el aireelevando la presión hasta un punto determinado.
  11. 11. La pega blanca es una cinta adhesiva blanca que sirve paraunir dos recipientes evitando que tengas escape.La base de madera que utilizamos es un banco pequeño hecho enmadera que además de base sirve para sentarse. Nos sirvió para apoyar la botella que eneste caso es el cohete.

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  • MireyaQuintanaOrdoez

    Oct. 24, 2013
  • tattoaleman

    Apr. 24, 2014

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