Demostración de la Ley de Acción y Reacción (Tercera Ley de Newton)

Contenido

1.1 PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 2

1.2 JUSTIFICACION DEL PROYECTO 2

1.3 OBJETIVOS 3

1.3.1 Objetivo General 3

1.3.2 Objetivos Específicos 3

1.4 ALCANCE 4

1.5 LIMITACIONES 4

CAPITULO II MARCO TEORICO 5

2.1 ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN 5

2.2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 5

2.3 DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS 7

CAPITULO III MARCO METODOLOGICO 9

3.1 TIPO DE INVESTIGACIÓN 9

3.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 9

CAPÍTULO IV PRESENTACIÓN Y ANALISIS DE DATOS 11

CAPITULO V CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 14

5.1 CONCLUCIONES 14

5.2 RECOMENDACIONES 15

CAPITULO VI BIBLIOGRAFÍA 16

CAPITULO VII BITÁCORAS 17

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 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

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

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