Coche a reacción (con globo)

Coche a reacción (con globo)

Por: Claudia, Regina, Sara y Alejandro 4ºA

Objetivo:

El objetivo de esta actividad es presentar las leyes de Newton de forma cualitativa e intuitiva de tal manera que podamos percibirlas en una experiencia cotidiana. En esta práctica no será necesaria la toma de datos, puesto que lo que prima es la observación experimental. Trataremos de dar un “significado personal” a cada una de las leyes y relacionarlas con experiencias vividas por los alumnos.

1ª Ley (Principio de inercia): “Si no lo tocas no cambia”

2ª Ley (Principio fundamental de la Dinámica): “Si lo tocas cambia. La masa es la proporción del cambio.”

3ª Ley (Principio de acción y reacción): “Yo te hago a ti lo que tú me haces a mí”

Material:

1. Coche a reacción (globo)
2. Pesa
3. Flexómetro
4. Plastilina

Procedimiento:

Hinchar el globo del coche, colocarlo en el punto de salida y soltarlo evitando que choque con ningún obstáculo antes de detenerse, posteriormente observar, anotar lo que ocurre en las distintas fases (1ª reposo con globo hinchado, 2ª aceleración al deshincharse el globo, 3ª fase inercial y 4ª reposo).

Cuestiones

1. ¿En qué fases son aplicables cada una de las Leyes de Newton? ¿Por qué?

Primera fase: Reposo con globo hinchado → La resultante de las fuerzas es nula así que el objeto tiende a seguir en el estado en el que estaba, que en este caso es el de reposo. 1ª Ley de Newton: Principio de inercia.

Segunda fase → Aceleración al deshincharse el globo → La resultante de las fuerzas es mayor que cero, por lo que cambia su estado y se acelera de una forma proporcional a la masa. 2ª Ley de Newton: Principio fundamental de la dinámica. También está relacionado con el principio de acción y reacción: Acción → se deshincha el globo (la fuerza que ejerce el aire que sale del globo) → Reacción → la reacción del aire que se encontraba fuera hace que el coche se ponga en movimiento y avance. 3ª Ley de Newton: Principio de acción y reacción

Tercera fase → Movimiento inercial (globo deshinchado y coche en movimiento) → Como el aire del globo se ha acabado la resultante es igual a la fuerza de rozamiento, por lo que el coche, que tenía una velocidad inicial, se frena (ya que la aceleración es negativa). Si no existiese el  rozamiento, el coche se encontraría en MRU hasta que actuase alguna fuerza. Como el rozamiento está presente y está frenando al coche nos encontramos en un MRUA, cuya resultante es distinta de 0. Por esta razón nos encontramos con la 2ª Ley de Newton: Principio fundamental de la dinámica, donde la resultante es igual al producto de la masa y la aceleración.

Cuarta fase → Reposo y globo deshinchado → Al igual que en la primera fase, la resultante de las fuerzas es nula, por lo que, una vez parado, continuará en este estado dinámico de reposo hasta que se le aplique alguna fuerza → 1ª ley de Newton: Principio de inercia.

2. ¿Piensas que la fase inercial está correctamente nombrada? ¿Podrías describir algún método para que si lo fuera? ¿Qué es el rozamiento? ¿Cómo influyen las diferentes superficies en el frenado del coche?

En nuestra opinión la fase inercial no está correctamente nombrada ya que durante esta fase no está presente el principio de inercia, si no el principio fundamental de la dinámica ya que, al existir el rozamiento con el suelo, el coche no sigue un MRU si no un MRUA, al contar con una aceleración negativa que hace que la resultante sea distinta de cero. Para que si lo fuera durante esta fase el coche debería haber entrado en una superficie en la que no tuviera rozamiento, una pista de hielo, por ejemplo, en la que el coeficiente de rozamiento fuese muy pequeño (aunque en este caso tampoco llevaría un MRU exactamente, es de lo que más se acerca).

El rozamiento es toda fuerza opuesta al rozamiento, la cual se manifiesta en la superficie de contacto de dos cuerpos, siempre que uno de ellos se mueva o tienda a moverse sobre otro.

La mesa es bastante más lisa y está más pulida que el suelo lo que permite un mayor desplazamiento del coche ya que con la misma fuerza motriz (la cantidad de aire que soplamos), avanza más en la mesa, en cambio el suelo no es perfectamente liso, ya que en este hay pequeños desniveles además de ciertas oquedades lo que hace que la superficie no sea regular y produzca una mayor rozamiento sobre el coche, producido por el aumento de coeficiente de rozamiento entre dichos materiales (les ruedas del coche y el suelo)

En la mesa, habiendo soplado más o menos lo mismo en ambos casos, el coche recorre mucha más distancia hasta pararse de lo que lo hace en el suelo, cuyo coeficiente de rozamiento es mayor.

3. ¿Qué ocurre al aumentar la masa del coche con la pesa? A igual cantidad de aire, ¿qué coche se acelera más, el más o el menos cargado?

Al aumentar la masa del coche con la pesa su peso también aumenta, como es evidente; esto hace que la fuerza normal sea también mayor y por lo tanto el rozamiento es mayor (ya que el rozamiento es proporcional a la normal) , por lo que con la misma cantidad de aire, se acelera mucho más el menos cargado, cuya normal es menor y por lo tanto su fuerza rozamiento también lo es.

4. ¿Por qué se trata de un coche a reacción? Pon otros ejemplos de movimientos a reacción.

Hay diversas explicaciones sobre por qué se trata de un coche a reacción pero nosotros hemos llegado a la conclusión de que se trata de un coche a reacción porque un primer sistema (coche con globo) ejerce una fuerza hacia atrás (acción) en forma de aire comprimido y simultáneamente el aire que se encuentra alrededor de la boquilla (sistema 2) por donde sale el aire del globo ejerce una fuerza opuesta (misma dirección, mismo sentido y distinto módulo) que afecta al sistema 1, desplazándolo. Otras interpretaciones eran que el aire comprimido al salir se expandía y éste empujaba al coche pero hemos encontrado una objeción y es que el aire comprimido que sale no puede estar simultáneamente expandiéndose, por lo que no es esta la explicación correcta de cómo funciona nuestro coche a reacción.

Otros casos son un cohete espacial, una nave espacial, una lancha motora, un helicóptero

5. ¿Por qué no se anulan las fuerzas de acción y reacción? Represéntalas en un diagrama de fuerzas para reforzar tu explicación.

Les fuerzas de acción y reacción no se anulan; aun teniendo mismo módulo y misma dirección pero sentido contrario,  porque cada una es aplicada sobre un sistema o cuerpo diferente

Experiencias sobre la inercia

En el siguiente vídeo se encuentran cuatro experiencias que hemos realizado gracias al principio de la inercia:

Por: Sara Gómez, Claudia Prieto y Regina Salazar 4ºESO A

Actividad 3: Galileo. La caída libre de los cuerpos

Con esta actividad vamos a calcular el valor de la aceleración de la gravedad (su módulo) y luego compararemos el valor con el que está definido.

Para ello hemos usado el vídeo en el que se dejan caer dos bolas, una más grande que otra y por lo tanto con más masa. Como no se puede medir la altura a la que están dichas bolas en determinados momentos viendo el vídeo hemos usado el editor de vídeo Windows Live Movie Maker para separar el vídeo en fotogramas y así poder anotar los valores. Al hacer esto y después de todos los cálculos los resultados no eran correctos ni se acercaban mucho al valor real de la aceleración de la gravedad así que hemos utilizado el otro vídeo que se nos proporcionaba y de esa forma, nos hemos quedado más satisfechas con el resultado.

Primero hemos representado los datos obtenidos de la bola grande en una gráfica, pues siempre se comprende mucho mejor lo estudiado cuando lo representamos gráficamente. En nuestro sistema de referencia el origen se encuentra en el principio de la cinta métrica (a los 0 metros) por lo que la gráfica parte de 0.

En esa gráfica podemos observar una función que es una parábola  (lo sería exacto si no tuviese errores experimentales) con un máximo (que es la altura máxima que alcanza la bola) ya que estamos ante un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado. La línea de la función(la parábola) no pertenece al experimento, la hemos dibujado para que se vea por donde tendría que pasar la función si no existiera el error experimental; y la verdad es que sigue prácticamente toda su trayectoria, aunque a veces los puntos estén un poco más arriba o más abajo. No podemos interpolar los valores ya que no sabemos dónde estaba en esos instantes. Aun habiendo tomado medidas directamente del vídeo, en el que no estaba del todo claro la posición de la bola, el error experimental no es muy grande. Aun así si hubiésemos medido el experimento con un instrumento más preciso, el error sería menor. El dominio de esta función (si x es el momento en el que llega al suelo) sería [0,x]. Después de x aparece un movimiento que no es un MRUA, pues están los botes de la bola, las colisiones, etc. Y antes de 0 no podemos estudiar el movimiento ya que nosotros empezamos a contar el tiempo cuando se deja caer la bola, y no podemos estudiar lo que ha pasado antes, en los tiempos negativos.

Vamos a calcular la velocidad de la bola en función del tiempo en cada intervalo teniendo en cuenta que la velocidad media es el incremento del desplazamiento respecto al tiempo: v (t) = incremento de y/incremento de t.

Como ya hemos dicho antes, se trata de un MRUA por lo que la velocidad no es constante sino que cambia uniformemente. Aunque lo más correcto sería tener la velocidad instantánea de la bola en cada instante vamos a calcular la velocidad media de la bola para cada intervalo de tiempo. La velocidad media se calcula dividiendo el incremento de desplazamiento entre el incremento de tiempo: v (t)=ht. Recordemos que la velocidad media es la pendiente que tiene nuestra gráfica y, como es un MRUA y cambia (en este caso la velocidad aumenta) la gráfica debería tener cada vez más pendiente, que se debe al aumento de velocidad.

Hemos calculado la velocidad media en los diferentes intervalos de tiempo y hemos obtenido los siguientes datos:

• V1=0,313 m/s
• V2=1,188 m/s
• V3=1,875 m/s
• V4=2,75 m/s
• V5=3,625 m /s
• V6=4,375 m/s

A continuación hemos representado estos datos en una gráfica de velocidad respecto al tiempo transcurrido. Tal y como pensábamos, ya que ya habíamos estudiado este tipo de movimiento en el pasado; la gráfica obtenida es una recta. Esta gráfica es una función lineal:

El movimiento que realiza la bola en su caída es un MRUA, por lo que la gráfica de velocidad tiene una trayectoria que debería ser rectilínea y no siempre va a la misma velocidad, sino que se acelera uniformemente, aumenta con respecto al tiempo uniformemente; por esta razón la gráfica v-t de un MRUA es una función lineal cuya pendiente es la aceleración a la que está sometido el objeto; en este caso la aceleración de la gravedad. Como ya hemos comentado antes, existe el error experimental por lo que en vez de salirnos una recta nos salen diferentes segmentos con diferentes pendientes (cuando tendrían que tener la misma pendiente: 9,8m/s2). Aún así lo obtenido se asemeja bastante a una recta, excepto por los primeros intervalos.

Utilizando la fórmula de la velocidad del MRUA (V=V0+a(t-t0)) y sustituyendo valores hemos conseguido despejar la aceleración de la gravedad, que era nuestro objetivo principal.

4,375=a·0,48

a=9,11 m/s2

La aceleración de la gravedad obtenida se acerca bastante al valor que ya conocemos (9,8 m/s2) y no nos da el valor exacto debido al error experimental ya que nuestras herramientas de trabajo no son las más precisas. El error cometido es solamente del 0,07%, así que los cálculos han ido bastante bien.

Existe discrepancia entre el modelo teórico y obtenido experimentalmente debido a los errores experimentales mencionados anteriormente.

Con la siguiente fórmula v=g·t hemos calculado los datos del modelo teórico.

A continuación hemos representado los datos del modelo teórico en una gráfica de velocidad respecto al tiempo transcurrido. La gráfica que hemos obtenido es una recta, una función lineal: