Equipo [Sácame de este planeta: Nuestro cohete, ciencia y creatividad] Alan Barrón[Méndez ], Ainhara Natalia Olarte [Benitez]
Desde el lanzamiento de Sputnik en los años 50, se han diseñado y construido diversos tipos de cohetes para explicar cómo el hombre ha llegado a lugares fuera de nuestro planeta, el cual representa uno de los mayores logros de la humanidad.
Es por ello que en este proyecto se construyeron dos prototipos de cohetes para explicar cómo un cohete puede llegar a otros planetas, los cuales tienen como objetivo demostrar el proceso de propulsión, fundamentado en el principio de acción y reacción (3ª Ley de Newton), que establece que los cohetes generan la fuerza de empuje ascendente al expulsar gas o líquido hacia abajo y así logran elevarse, vencer la gravedad y salir al espacio.
Los tipos de cohetes construidos son: el primero, un cohete impulsado por agua y aire a presión, en el que se demostrará y evidenciará cómo es posible poner en movimiento los cuerpos mediante el principio de acción y reacción. El segundo es un cohete de vinagre y bicarbonato, en el cual se demuestra la producción de gas mediante una reacción ácido-base, así como también se observará la presurización de un recipiente cerrado. Con ello se demostrará que los cohetes son fáciles de construir con materiales que se encuentran y utilizan en nuestro entorno cotidiano y, con ello tener un mayor entendimiento de cómo suceden los lanzamientos de cohetes que logran llegar al espacio y a otros planetas.
Palabras clave: Propulsión, cohete, prototipo, empuje, velocidad.
Since the launch of Sputnik in the 1950s, various types of rockets have been designed and built to explain how man has reached places outside our planet, which represents one of humanity’s greatest achievements.
That is why this project built two rocket prototypes to explain how a rocket can reach other planets, which aims to demonstrate the propulsion process, based on the principle of action and reaction (Newton’s 3rd Law), which explains that rockets generate the upward thrust force by expelling gas or liquid downwards and thus manage to rise, overcome gravity and go out into space.
The types of rockets built are: the first, a rocket propelled by water and pressurized air, which will demonstrate how it is possible to set objects in motion using the principle of action and reaction. The second is a vinegar and baking soda rocket, which demonstrates the production of gas through an acid-base reaction, as well as the pressurization of a sealed container. This will demonstrate that rockets are easy to build with materials found and used in our daily lives, and will provide a greater understanding of how rocket launches that reach space and other planets occur.
Key words: propulsión, space rocket, prototype drive/pressure, speed.
NÁHUATL
In Ni tekitl kinextia kenijkatsa kichijchijkej ome prototipos tlen cohetes tlen kichijchijkej ininchaj para kinextis nopa principio tlen acción uan reacción (Newton’s Tercera Ley). Ika nopa sistemas de agua presionada uan nopa reacciónes ácido-base, moixtoma nopa proceso de propulsión tlen techkauilia ma tijtlanikaj nopa gravedad, uan techmaka se tlalnamikilistli tlen kenijkatsa tekitij nopa lanzamientos espaciales.
Ver el lanzamiento de una nave espacial es una experiencia increíble. Es emocionante verla despegar y escapar de la gravedad terrestre. El presente trabajo se centra en el estudio de los requerimientos para que un cohete pueda lanzarse al espacio a una gran velocidad, con el fin de demostrar y entender los fundamentos físicos que explican los lanzamientos espaciales, tales como el sistema de propulsión, el principio de acción y reacción, y las energías involucradas durante el proceso para alcanzar la velocidad y fuerza necesarias para el despegue. Por ello se construirán y diseñarán dos prototipos de cohetes que permitan explicar de forma didáctica las partes que integran a los cohetes, su funcionamiento y el proceso que realizan para llegar al espacio. Construir, diseñar y lanzar los cohetes hacia las alturas intrigará y estimulará la creatividad.
¿Alguna vez te has preguntado qué hay en el cielo? Esta inquietud surgió al visitar un planetario y observar una proyección sobre el universo. Allí conocimos por primera vez el sistema solar y aprendimos que el ser humano ha logrado llegar más allá de la Tierra gracias a los cohetes espaciales. A partir de esa experiencia nació el interés por comprender cómo funcionan los cohetes, qué necesitan para despegar y cómo logran alcanzar la velocidad suficiente para viajar al espacio.
Los cohetes espaciales han sido fundamentales para la exploración más allá de nuestro planeta, ampliando nuestro conocimiento sobre el universo. Cohetes espaciales como el Saturno V, que llevó al hombre a la Luna, son ejemplo de que se puede superar la gravedad terrestre y llegar al espacio.
La historia de los cohetes es un símbolo de la capacidad del ser humano para soñar, imaginar y crear. Es por ello, que se plantea explicar la propulsión de un cohete espacial de una manera didáctica a través de la construcción de un cohete que pueda alcanzar la máxima altura posible y aterrizar de forma segura, lo cual permitirá simular cómo viajan los cohetes al espacio. Entendiéndose como propulsión el empuje o impulso de un objeto hacia adelante y como sistema de propulsión una máquina que produce empuje para impulsar un objeto hacia adelante.
Si construimos un prototipo de cohete y explicamos cómo funciona su propulsión, entonces podremos entender mejor qué necesita un cohete para despegar y llegar al espacio.
Desde la antigüedad los humanos han soñado con volar fuera de la atmósfera terrestre, hacia el espacio, la Luna y explorar más allá, sin embargo, no fue hasta la década de 1920 donde el desarrollo de motores de cohetes para la propulsión creó nuevas oportunidades para que científicos e ingenieros se dedicaran a los vuelos espaciales. En las décadas de 1950 y 1960, los rápidos avances en el diseño de motores de cohetes y el desarrollo de vehículos de lanzamiento fiables finalmente permitieron que los satélites y los humanos alcanzaran la órbita.
Pero los cohetes han existido incluso antes de estas fechas. Si hacemos un repaso a la historia, en el siglo I, el científico griego Herón de Alejandría desarrolló un primer diseño de motor a reacción (una fuente de calor externa hacía hervir el agua almacenada en un recipiente y el vapor que salía por las boquillas hacía girar la esfera sobre su eje). Siglos más tarde, en el siglo XI, para ser exactos, con el descubrimiento de la pólvora (una explosiva mezcla de carbón, azufre y salitre-nitrato potásico), durante la dinastía Song en China, se desarrollaron los primeros diseños de cohetes como artefactos de guerra.
Y es que los científicos tardaron bastante en darse cuenta de que los cohetes son “motores a reacción” que rigen su funcionamiento por el principio de acción y reacción, es decir, cuando los gases de la combustión escapan en una dirección, el cohete sale disparado en sentido contrario. Esto fue entendido hasta el siglo XVII, gracias a los aportes de Johannes Kepler sobre el movimiento planetario y a Isaac Newton, quien enunció las tres leyes del movimiento (ley de inercia, ley fundamental de la dinámica y principio de acción y reacción), proporcionando así las herramientas matemáticas para entender tanto el movimiento de los astros como el de las naves espaciales.
Ya en el siglo XX, con la Guerra Fría, esta competencia científica y tecnológica impulsó los primeros grandes lanzamientos, como el primer satélite lanzado por la Unión Soviética, el Sputnik I, derivando así también el inicio de los programas de la NASA1, donde diferentes naves espaciales fueron lanzadas como pruebas, como el programa Gemini, dando paso al lanzamiento de la primera nave tripulada que llegó a la Luna exitosamente, siendo éste el cohete Saturno V, con la nave Apollo 11.
Ahora bien, ya estudiada la historia de los cohetes, es necesario comprender su funcionamiento para poder lograr y demostrar nuestro objetivo. Entendiéndose que un cohete es un medio de transporte que nos permite viajar al espacio para explorar, así como transportar otras naves, personas o suministros, el cual requiere una gran cantidad de energía para alcanzar la fuerza y velocidad necesarias que le permitan llegar al espacio. Esto se logra mediante el principio de acción y reacción, donde el cohete tiene un motor que combina combustible y oxígeno; esta combinación genera la fuerza que necesitan los cohetes para despegar, impulsando hacia arriba a gran velocidad, es decir, lo que llamamos propulsión.
Explicando un poco más acerca de este principio de acción y reacción, podemos entender que en toda acción que realizamos siempre hay una reacción igual y opuesta. Aplicada en los cohetes, esto ocurre cuando éste vence la fuerza de gravedad terrestre al momento del despegue, originado por la quema de combustible al momento del lanzamiento, ya que el motor del cohete expulsa gas (acción) en la dirección contraria al movimiento de dicho cohete. Como consecuencia de este movimiento, el cohete sufre una fuerza igual, pero en sentido opuesto (reacción), lo que impulsa y permite despegar y ganar altura.
Por otra parte, tenemos la fuerza de empuje y velocidad de escape que también son factores importantes y necesarios a la hora de lanzar un cohete, entendiéndose como fuerza de empuje a aquella que es generada por la expulsión de gases del motor del cohete que hace que se impulse hacia arriba y gane mayor velocidad; mientras que la velocidad nos dice que para que un cohete sea lanzado hacia el espacio debe tener una cantidad de energía dada por su movimiento (energía cinética) y otra energía relacionada con la gravedad que varía con la altura respecto a la superficie que va adquiriendo el cohete. La suma de estas dos se le conoce como energía total y para poder superar la atracción terrestre, las dos formas de energía deben igualarse, y cuando esto ocurre, se conoce como velocidad de escape y es la mínima velocidad que permite al cohete salir de la Tierra, debiendo ser ésta y mantenerse en aproximadamente 27,000 km/hr.
Como se ha mencionado, un cohete necesita diversos tipos de energía para poder salir de la atmósfera. La energía inicial necesaria se va transformando durante el proceso del despegue, pudiendo sintetizar de la siguiente manera: de inicio existe una energía química (dada por el combustible y el oxidante requeridos en el cohete), ésta se transforma en energía térmica liberando el humo y fuego en el motor de éste y a su vez en energía cinética que es la que se produce dado al movimiento del cohete y el esfuerzo que tuvo para alcanzar la velocidad necesaria. Por último, parte de esta energía se convierte en energía potencial relacionada con la altura que va adquiriendo el cohete con respecto a la tierra (esto se relaciona con la gravedad, que es la fuerza que nos hace quedarnos en el suelo).
Para terminar de entender cómo funciona un cohete, es necesario explicar las fases del vuelo, de las cuales las cuatro principales se describen a continuación:
Tipo de prototipos de cohetes
Existen diferentes tipos de prototipos experimentales que nos ayudan a entender mejor los principios físicos antes descritos, así como el funcionamiento y proceso que realizan los cohetes para su despegue, por lo que se plantean los siguientes:
1. Cohetes de agua
Un cohete de agua es un modelo de cohete, usualmente hecho con una botella de plástico (PET2), que utiliza agua y aire a presión como combustible o propulsor para impulsarse. Funciona bajo la tercera ley de Newton (acción-reacción): el aire comprimido expulsa el agua a gran velocidad hacia abajo, generando un empuje hacia arriba.
Cómo funciona (Principios físicos):
Propulsión: La mezcla de agua y aire a presión dentro de la botella crea energía potencial. Al liberar el mecanismo de cierre (tapón), el aire a presión empuja el agua hacia afuera. La fuerza del agua saliendo (acción) provoca un empuje de igual magnitud, pero en sentido contrario (reacción) que lanza el cohete.
2. Cohetes de Vinagre y Bicarbonato
Se basan en una reacción química ácido-base. Al mezclar bicarbonato (en una servilleta) y vinagre en una botella sellada con un corcho, se genera dióxido de carbono que aumenta la presión hasta expulsar el corcho. Con este tipo de cohete se demuestran los siguientes conceptos físicos y químicos:
1. Cohete de agua
Proceso metodológico para el cohete de agua
Para demostrar cómo un cohete real viaja al espacio se diseñará un cohete de agua. Se utilizará una botella de plástico y se usará como “combustible” agua, que será impulsado por la presión de la misma. Esta demostración pondrá en evidencia cómo es posible poner en movimiento los cuerpos mediante el principio de conservación del momento lineal o también llamado en este caso de acción y reacción.
El diseño, construcción y lanzamiento de cohetes nos permitirá trabajar los siguientes aspectos:
En la etapa inicial, el interés se centra en cuán lejos pueden volar los cohetes. Luego se analizará lo que pueden hacer para mejorar el desempeño del vuelo.
Componentes del cohete de agua
Etapas de desarrollo del cohete
Seguridad durante el lanzamiento
Se deberá realizar en un lugar abierto, nunca en interiores, y manteniendo la distancia, ya que la presión puede impulsarlo muy rápido.
Para explicar su funcionamiento de forma sencilla, el cuerpo del cohete se cargará parcialmente con agua y luego se inflará con aire. Una vez alcanzada cierta presión, el aire expulsará al agua, que saldrá por la base con mucha fuerza impulsando al cohete hacia arriba. En un cierto punto la fuerza de atracción de la gravedad superará a la de propulsión y el cohete caerá al suelo debido a su peso.
1.1 Materiales
1.2. Procedimiento para crear el cohete
El cohete constará básicamente de cuatro partes: un cuerpo o fuselaje, una nariz u ojiva, una base, y aletas.
Además, se deberá construir una plataforma de lanzamiento y una pieza de enganche entre el cohete y la plataforma.
2 Cohete a reacción química (vinagre y bicarbonato de sodio)
2.1. Materiales
2.2. Procedimiento
1. Cohete a base de agua
Imagen 1. Foto de la estructura del cohete.
1.Materiales. Se utilizaron materiales reciclados
Imagen 2. Materiales para el cohete
Imagen 3: Ensamblado de la ojiva en el fuselaje.
Imagen 4,5 y 6: Construcción de la tobera
Se crearon las aletas y se pintaron de color negro, después se pegaron las aletas y la tobera al cohete. (ver foto 3). La plataforma que se utilizará es una base de plástico reciclada que servirá para sostener el cohete al momento del lanzamiento.
Imagen 7: Ensamble del cohete
Imagen 8,9,10: Lanzamiento del cohete
Con estos dos lanzamientos se observó que se alcanza mayor altura en el segundo lanzamiento respecto al primero debido a que el agua tiene mayor material (masa) respecto a la situación en que sólo hay aire en la botella.
El resultado del lanzamiento del cohete de agua (botella PET) impulsado por aire comprimido en sus distintos intentos, arrojó vuelos rápidos y verticales, los cuales alcanzaron alturas de 4 metros. Se comprobó el principio de acción-reacción, en donde la presión hace que se expulse el agua (masa) hacia abajo, provocando que el cohete se eleve.
Con ello, se pudo simular cómo se realiza el lanzamiento de los cohetes que viajan al espacio y generar asombro al verlo elevarse.
2. Cohete a reacción química
Con este tipo de prototipo se obtuvo un lanzamiento exitoso, pudiendo así entender cómo es que funciona un cohete para poder llegar al espacio, así como los principios físico-químicos que están involucrados en el proceso del lanzamiento.
Por un lado, en este caso se generó una reacción química ácido (vinagre) – base (bicarbonato), lo cual produjo un gas dentro de la botella hasta llenarla, ocasionando presión hasta el punto en el que el tapón ya no puede soportar, por lo que toda la energía almacenada en la botella ejerce una fuerza sobre el tapón empujándolo hacia abajo y a su vez la botella sale disparada hacia arriba, debido al empuje generado por el gas y el chorro de líquido expulsado hacia el suelo. Con esto último pudimos entender mejor el principio de acción-reacción. (ver fig 17, 18, 19 y 20)
Se aprendió a realizar cohetes con materiales fáciles y accesibles de conseguir, así mismo se evidenció que la física se encuentra en todas partes.
Se pudo demostrar a través del diseño diferentes tipos de cohetes lo siguiente:
Con ello pudimos imaginar como los cohetes reales despegan y que necesitan para llegar a los lugares más lejanos fuera de nuestro planeta.
