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Cohete

Título Actividad:
Cohete

Principios a explicar:
Tercera ley de Newton, compresión del aire, funcionamiento de un cohete espacial, Ley de conservación de Momento.

Material:
1 Botella de plástico de dos litros (de refresco o agua)
1 Lámina de unicel de 2cms. De espesor
1 Exacto o cutter
1 Bomba de aire
1 Válvula para inflar balones
1 Tina de agua

Procedimiento:
1. Se discute con los participantes la concepción que se tiene de un cohete y se les pregunta si encuentran parecido entre la botella de plástico y los cohetes que conocen.
2. Se procede a llenar de agua una décima parte de la botella, luego cortaremos el unicel de un tamaño un poco más grande que la boca de la botella; usando el taparroscas de la misma botella, marcando con éste el tamaño del que se cortará con el exacto. Se tapará la boca de la botella con el unicel.
3. En la salida de aire de la bomba pondremos la válvula y acto seguido atravesaremos el unicel que tapa la botella con la válvula.
4. Un participante empezará a bombear aire y otro, que será algo así como la plataforma de lanzamiento, volteará la botella quedando la boca hacia abajo, deteniéndola en esta posición hasta que salga disparada. Para evitar que se dispare el cohete antes de tiempo quien detenga la botella debe ejercer un poco de presión sobre el tapón.
5. Repite el procedimiento de lanzamiento, peor ahora sin poner aire en la botella. Compara el resultado con el caso anterior.

Marco Teórico:
La tercera ley de Newton del movimiento de los cuerpos indica que para toda acción corresponde una reacción de la misma magnitud pero de sentido contrario, cuando aplicamos una fuerza sobre un cuerpo este aplica una fuerza sobre nosotros de la misma magnitud pero de sentido opuesto. A esto se debe que si lanzamos algo contra un muro rebota, pues el muro aplica sobre el objeto una fuerza de la misma magnitud que la del objeto al chocar.
El momento de un cuerpo se define como la cantidad de movimiento con que dicho cuerpo cuenta, y normalmente lo calculamos multiplicando la masa del cuerpo por su velocidad. La Ley de conservación de momento indica que un cuerpo en movimiento (sobre el que no actúan fuerzas externas no compensadas) mantiene constante su momento. En el caso de un cuerpo que pierda masa, como un cohete espacial, su velocidad deberá aumentar para cumplir la Ley.
Si tenemos un recipiente, de volumen constante, lleno de aire y continuamente le agregamos más, estaremos comprimiendo gradualmente el contenido del mismo, lo que significa que la presión estará aumentando. Esta presión es ejercida de igual manera en todas las paredes del recipiente.

Preguntas:

¿Por qué vuela nuestro cohete?, ¿Por qué llega más alto el que tiene agua?, ¿En que se parece este lanzamiento al de un cohete de verdad?

Explicación:

Aunque la botella tiene cada vez más aire adentro, su tamaño de ésta no ha cambiado y esto hace que adentro el aire esté muy apretado, se dice que adentro de la botella hay mucha presión. Es como si en su salón que hay 40 niños, de repente metieran 100; estarían muy apretados, ¿verdad?
Pues bien, por la misma presión, el aire empieza a tratar de empujar en todas direcciones. Por lo que se conoce como tercera ley de Newton, las paredes empujan al aire con la misma fuerza que el aire a ellas. Sin embargo como las paredes de la botella no pueden ser rotas ni movidas aún por que no hay suficiente presión, la presión sigue aumentando hasta que si llega un momento en que el aire logra romper el tapón.
El aire ahora sale rápidamente por la boca de la botella y al hacer esto también está empujando a la botella hacia arriba, que inicialmente no va tan rápido como el aire porque tiene agua. Pero conforme el agua sale, la botella es cada vez más ligera lo que hace fácil que aumente su velocidad.
En nuestro cohete también participa otro fenómeno: el momento. Para entender fácilmente este concepto vamos a recurrir a un ejemplo: Si un volkswagen y un trailer, que van a la misma velocidad, chocan con un muro; ¿Cuál generará un impacto mayor? ¿Por qué? Lo que pasa es que aunque van a la misma velocidad, el trailer tiene más movimiento porque es más pesado; a la cantidad de movimiento le llamamos momento. El momento de un cuerpo lo podemos conocer multiplicando la masa y la velocidad de éste.
Pues bien, resulta que el momento de un cuerpo, sobre el que no actúan fuerzas externas, debe de conservarse. Cuando nuestro cohete acaba de despegar tiene una velocidad pequeña y una masa que incluye aire y agua, mismas cosas que rápidamente salen de la botella; esto hace que disminuya su masa por lo que, para que se conserve el momento, la velocidad debe de aumentar. Como el agua es más pesada que el aire el incremento de velocidad es mayor cuando sale agua del cohete que cuando es sólo aire.
Algo parecido pasa con los cohetes espaciales, pues el 90% del peso que tienen antes de ser lanzados es de puro combustible que es quemado para poder salir de la Tierra. Conforme el cohete quema combustible (y va dejando atrás algunas partes) va perdiendo masa, por lo que se incrementa su velocidad.

Diseño:

Grupo ¡Eureka!, Octavio Campuzano, Miguel García

 

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