La física del coet d'aigua
Autor: Laia Barbarà
Centre: INST.SANTIAGO SOBREQUÉS VIDAL
Document: No hi ha fitxer associat
LA FÍSICA DEL COET D’AIGUA
I. PROCÉS D’ELABORACIÓ
M’he sentit atreta per fer una investigació sobre el coet d’aigua, tot i ser un tema que en un principi desconeixia totalment, ja que em permet treballar diferents vessants: la investigació, el càlcul, el disseny i l’experimentació,
Per fer el recull d’informació vaig utilitzar un ventall variat de fonts: llibres (principalment de física general i mecànica, però també de matemàtiques), visites a museus de la ciència i pàgines web. En la investigació he necessitat aprendre noves equacions (equació de Bernoulli, principi de continuïtat, cabal,mecànica de fluids...) que em caldran per fer la justificació física i els càlculs necessaris. En fer la recerca d’informació de seguida m’he adonat que era un camp molt ampli i que calia acotar-lo definint uns objectius que estiguessin al meu abast.
A la part pràctica m’he centrat en l’estudi de les parts i el funcionament del coet d’aigua. Llavors n’he construït alguns models variant les seves característiques i he fet un munt de llançaments i recollides de dades per trobar les característiques que permetien assolir una major alçada. Al llarg d’aquesta experimentació m’han aparegut molts problemes d’ordre pràctic que he hagut d’anar resolent, d’entre els quals destaca el procediment per determinar l’alçada assolida. Per això em va ser necessari construir 3 clinòmetres i mesurar l’angle format pel punt més alt de la trajectòria des de 3 llocs situats al voltant del punt de llançament i equidistants respecte aquest. Llavors per trigonometria determinava les 3 alçades i en calculava la mitja, que era el valor que prenia com a bo. Amb aquesta part pràctica també volia arribar a saber quin era el morro (o nas) més aerodinàmic pel coet, quina quantitat d’aigua em donava els millors resultats, la importància de les aletes i el millor material per a la seva construcció.
A la part d’investigació i càlcul vaig centrar el meu interès en entendre els principis físics en els que es basa l’enlairament del coet en les diferents fases del llançament, un procés complex per molt factors, com pel fet que la seva massa és variable en expulsar l’aigua que a la vegada li proporciona la propulsió. Així vaig determinar com influïen les 3 lleis de Newton, el cabal, el principi de continuïtat, l’equació de Bernoulli, l’equació dels gasos ideals, l’equació de Boyle-Mariotte. Després he pogut calcular: el volum d’aire aplicat al coet i la pressió assolida, l’empenyiment experimentat relacionat amb la velocitat de sortida de l’aigua, calcular si es podia produir una velocitat de sortida de l’aigua igual a zero, el temps de descàrrega de l’aigua, com varia la massa del coet en funció de l’alçada assolida (amb l’ajuda de l’estudi de la filmació d’un llançament desglossada fotograma a fotograma) i l’alçada assolida pel coet. En aquesta part vaig tenir que particularitzar les equacions generals a les característiques del meu coet, fer taules de dades amb l’ajuda d’un full de càlcul i construir gràfics explicatius.
He completat el treball amb un apartat que exposa els problemes que m’han sorgit al llarg de la seva elaboració. Aquí incloc un seguit d’experiències que tot i que sovint m’han portat molta feina no m’han donat els resultats que esperava.
II. OBJECTIUS
A més dels objectius generals del treball he formulat unes preguntes que defineixen aspectes particulars a aprofundir. I ja que es tracta d’un treball científic, també he formulat algunes hipòtesis.
1- Objectius: •Comprendre les lleis de la dinàmica. •Entendre altres conceptes físics com la força de la gravetat. •Construir i fer enlairar un coet d’aigua, el més aerodinàmic possible per aconseguir una alçada òptima. •Determinar experimentalment les característiques òptimes per obtenir el millor enlairament del coet. •A partir de les lleis físiques puc calcular algunes variables com: velocitat de sortida de l’aigua, la màxima alçada assolida i el temps de vol.
2- Preguntes que em faig: O Per què puja el coet? Per què baixa el coet? Quines lleis físiques hi són aplicables? Tarda més a pujar o a baixar? Com es pot determinar l’alçada a què arriba? Com es pot millorar el disseny a fi i efecte d’assolir una alçada màxima? Com mesurar la velocitat instantània del coet? Com mesurar l’acceleració? Com varia la velocitat durant l’enlairament? Quina és la velocitat màxima? Quina és l’acceleració màxima? Com varia la velocitat i l’acceleració mentre actua la propulsió? Influeix significativament la fricció de l’aire? Convé omplir l’ampolla d’aigua al màxim?
3- Hipòtesis: •Omplint el coet fins a la meitat d’aigua és quan s’assoleix la màxima alçada. •Un morro cònic és el millor per volar més alt. •Si substituïm l’aigua per un altre fluid més dens, el coet arribarà més amunt. •Puc calcular l’empenyiment que experimenta el coet. •Puc deduir una fórmula que relacioni el nivell d’aigua i la pressió de l’aire aplicat, amb la velocitat de sortida de l’aigua. •Amb els coneixements de la física que tinc puc determinar quines són les lleis que intervenen en el procés de llançament d’un coet (enlairament, vol i caiguda).
III. CONCLUSIONS
Per falta d’espai no recullo aquí la resposta a les preguntes, ja es veurà en el treball, però sí l’assoliment o no dels objectius i el grau de compliment de les hipòtesis.
Respecte als objectius, puc afirmar que he entès i aplicat les lleis de la dinàmica. Desprès d’haver treballat, tant a nivell experimental com teòric, crec haver comprès els conceptes físics que intervenen en el treball. He construït i llançat multitud de coets, perfeccionant-los fins aconseguir les característiques òptimes per assolir la màxima alçada. He pogut determinar les lleis que intervenen en el procés de llançament d’un coet d’aigua. He calculat la velocitat de sortida de l’aigua, la màxima alçada assolida i el temps de vol, a partir de fórmules a què he arribat combinant les diverses lleis físiques.
En quant a les hipòtesis, no totes s’han complert:
Omplint el coet fins a la meitat d’aigua no s’assoleix la màxima alçada d’aquest, com jo preveia. Se n’ha d’omplir 1/3 del volum.
El morro cònic no és el millor per volar més alt, sinó que és l’ovalat.
‘Substituint l’aigua per un líquid més dens, el coet arribarà més amunt’. Aquesta hipòtesis no la puc confirmar ni desmentir, ja que per diversos motius, explicats en el treball, no m’ha sigut possible fer els experiments necessaris.
Sí que he pogut calcular l’empenyiment que experimenta el coet, en funció de la velocitat de sortida del líquid.
Sí que he deduït una fórmula que relaciona el nivell d’aigua i la pressió de l’aire aplicat, amb la velocitat de sortida de l’aigua.