apolo11
5/11/10
problemas en el espacio
Uno de los problemas más grandes para mantener a los astronautas en condiciones saludables mientras viajan por el sistema solar es, simplemente prevenir los daños fisiológicos debido a los cambios causados por la pérdida de peso, dice Dave Williams, director de - Ciencias de la Vida y del Espacio en el Centro Espacial Jonson -. La atrofia de los músculos y la pérdida de los huesos son quizás las alteraciones mejor conocidas, pero difícilmente son las únicas. La pérdida de peso causa una disminución del volumen de la sangre, lo cual significa que los astronautas recién llegados a un planeta tienden a sentirse mareados cuando se levantan. La pérdida de peso también altera el sentido del equilibrio, un momento después de que los astronautas regresen a 1-g sienten como si el mundo estuviese dando vueltas, independientemente del lugar hacia donde muevan sus cabezas.
Se están comenzando a descubrir cambios sutiles. Aquí en la Tierra, no tenemos problemas midiendo la posición de nuestras piernas: si decides levantar tu brazo, sabes donde está, y cuan lejos necesitas moverlo para alcanzar algo cuando quieras. Pero en el espacio, esta habilidad 'perceptiva' no parece funcionar tan bien. Y podrían haber otros problemas: curas más lentas de las heridas y debilidades del sistema inmunológico.
Ahora mismo, la “primera contramedida” recomendada por los doctores espaciales es simplemente ejercitarse. Los astronautas de la Estación Espacial Internacional se ejercitan cerca de dos horas diarias, usando cintas caminadoras, bicicletas estáticas, y un IRED - un dispositivo especialmente desarrollado para permitir a los astronautas realizar un entrenamiento de resistencia o fortaleza. Los medicamentos, también, pueden ayudar con algunos problemas: los bifosfonatos, por ejemplo, utilizados en la Tierra para disminuir el porcentaje de pérdida ósea en pacientes con osteoporosis, parecen probar ser útiles también para los astronautas.
Estas contramedidas parecen trabajar muy bien para cortos períodos en el espacio. Para exploraciones más largas, un acercamiento diferente puede funcionar mejor: Gravedad Artificial.
'Es muy convincente como solución', dice Williams.
En Teoría, suministrar gravedad artificial es fácil. Las centrifugadoras de los laboratorios lo hacen todo el tiempo. Cuando giran, sus contenidos son empujados hacia afuera del eje de rotación. Es una fuerza que es similar a la gravedad.
Rotar una estación espacial entera, sin embargo, puede ser dos cosas: costoso y complejo. Esa es la razón por la que los investigadores del Centro de Investigación de la NASA han estado desarrollando una pequeña Centrifugadora accionada por Humanos. Esencialmente es una vía de ejercitamiento, en la cual un astronauta pedalea sobre una bicicleta alrededor en un circulo de 360 grados.
Pedaleando la bici por su camino circular, explica Williams, uno se convierte a sí mismo en una centrifugadora humana. 'Dependiendo de la velocidad a la que vaya, y el tamaño de su ruta, experimentará una pseudo-fuerza… un sustituto de la gravedad'.
Este tipo de dispositivo a tracción humana, proveerá una exposición intermitente a la gravedad artificial. Los investigadores deben todavía pensar cuanto de esta pseudo-gravedad se necesita para mantener a los astronautas en buenas condiciones. Además, la fuerza creada por tal dispositivo ¡podría sentirse con más fuerza en los pies del astronauta que en su cabeza! Pero podría bastar para contrarrestar los efectos de la gravedad cero (zero-g).
Las bicicletas no lo resolverán todo, debido a que la pérdida de peso no es el único problema.
La radiación es otro problema. Ahora mismo, las contramedidas se limitan simplemente a acortar la exposición de los astronautas a esta – lo cual significa limitar la cantidad de tiempo que se les permite estar en el espacio. Pero en una misión larga de exploración, los astronautas tendrán que estar en el espacio por meses, y, más importante aún, el tipo de radiación en el espacio profundo es mas dañina que la de las órbitas bajas alrededor de la Tierra.
Una nave espacial para exploración tendrá que incluir escudos que puedan absorber los rayos cósmicos.
El mejor material para bloquear la radiación de alta energía es el hidrógeno, explica Frank Cucinotta, oficial de Salud anti-radiación de los astronautas y Jefe de Investigación de Salud y Radiación Espacial en el Centro Espacial Johnson. 'Pero no se puede hacer un escudo exterior sólo de hidrógeno, luego buscamos materiales con un alto contenido de hidrogeno, como el polietileno, un plástico común, el cual se compone de una parte de carbono y dos de hidrogeno'. El agua, nos dice William, con una parte de oxígeno y dos de hidrógeno, podría ser también una buena opción, pero resulta terriblemente pesada y costosa a la hora de lanzarla al espacio.
Para bloquear completamente la radiación, los escudos ricos en hidrógeno necesitarían tener un grosor de un par de metros - lo cual es impracticable, debido al peso y al volumen. Pero, extrañamente, del 30 al 35 por ciento de la radiación puede ser bloqueada por sólo de 5 a 7 centímetros de ancho. Eso, sugiere Cucinotta, podría ser la opción más eficiente.
Los astronautas aún necesitarían enfrentarse al 70 por ciento de la radiación que pasa a través de los escudos. Por lo que Cucinotta está buscando otras soluciones, como el uso de medicamentos.
Antioxidantes tales como las Vitaminas C y A pueden ayudar absorbiendo partículas producidas por la radiación antes de que puedan hacer algún daño. Los científicos de la NASA están buscando maneras de ayudar al cuerpo después de que el daño haya sido hecho. Un caso, por ejemplo, puede ser desarrollar una forma para instruir a una célula dañada y anormal a que se destruya a si misma. Otro investigador está explorando el ciclo de la célula: una vez que la célula se divide, hace pausas ocasionales, para chequear sus genes, verificar cualquier daño y reparar los errores.
Con fármacos que alarguen esta parte del ciclo, los investigadores creen que pueden darle a la célula más de una oportunidad para reparar sus propios problemas
Aún si pudiéramos prevenir el daño causado por la radiación y la pérdida de peso, esto sería solamente parte de lo que es necesario para explorar Marte e ir más allá. 'El otro elemento', dice Dave Williams, 'es el diagnóstico y tratamiento de la enfermedad'. Aún, cuando los astronautas, son saludables y preparados, existe la posibilidad de que algunos problemas médicos pudieran surgir durante misiones largas. Los astronautas necesitarían poder tratar cualquier enfermedad por si mismos, usando solamente las herramientas que han llevado con ellos.
Esto significa que es necesario desarrollar tecnologías todo lo inteligentes y capaces que sea posible. Lo cual significa desarrollar Sistemas Expertos que puedan trabajar eficientemente a pesar del tipo de entrenamiento de las personas que los operan. (La presencia de un doctor sería parte esencial de cualquier misión larga, por supuesto… pero ¿qué pasaría si el doctor se enfermara o quedara inhabilitado? Otros miembros de la tripulación tendrían que ayudar).
A millones de millas del hospital más cercano, los doctores del espacio necesitarán tecnología médica avanzada: dispositivos miniaturizados para llevar a cabo operaciones con el mínimo de invasión posible al cuerpo; ayudantes robots con manos superestables; sistemas médicos inteligentes que puedan diagnosticar y, posiblemente tratar, enfermedades; y capacidades de telemedicina que permitirán al Oficial Médico en Jefe de la Nave hacer consultas a expertos en la Tierra.
De hecho, muchos de estos dispositivos ya han sido desarrollados en la Tierra.
Los desfibriladores externos son un buen ejemplo, dice Jim Logan, Director de la Oficina de Sistemas en Cuidados en Salud e Informática Médica del Centro Espacial Jonson. Estos dispositivos, que emplean descargas eléctricas para reactivar el corazón de un paciente, son buenos ejemplos de sistemas médicos inteligentes. 'La experiencia', dice Logan, 'es toda local, residente en la máquina'. El dispositivo por si mismo puede decidir si ha sido conectado correctamente, si el paciente necesita ser desfibrilado, y si decide que la respuesta es afirmativa, sigue adelante y provee el tratamiento. Este tipo de capacidad, la cual contiene todo en un paquete pequeño, liviano y fácil de usar, es parte primordial de lo que se necesita para suministrar cuidado clínico en una misión de exploración de larga duración.
La cirugía asistida robóticamente podría también jugar un rol. En el espacio, las cirugías mínimamente invasivas serán importantes. Se pretenderá evitar hacer grandes incisiones: las heridas podrían tardar en curar y los fluidos como la sangre serían difíciles de controlar. Usando robots, los cuales pueden hacer movimientos menos temblorosos que una mano humana, los cirujanos pueden hacer incisiones más pequeñas y finas de las que podrían hacer por sí mismos.
La telemedicina será otra herramienta clave, y esa también ha sido explorada 'Nosotros tenemos en el JSC - Centro Espacial Jonson - una clínica teledermatológica basada en los principios de la medicina para vuelos espaciales', dice Williams. 'Si asistes a la clínica con un problema de piel – un enrojecimiento, por ejemplo, nosotros tomamos una imagen digital de alta resolución del enrojecimiento y lo enviamos a un experto a través de Internet. El dermatólogo da su diagnóstico, y recomienda un tratamiento'. El paciente no necesita ser observado en persona. Para el doctor, ellos podrían estar en Marte.
Existen muchas posibles tecnologías. Consideremos un dispositivo que pueda producir medicinas a partir de sustratos almacenados - solamente cuando las medicinas sean necesitadas. Las misiones de exploración de largo tiempo es probable que excedan el tiempo de vida de muchos fármacos, explica Logan. Pero si puedes producir fármacos cada vez que se necesiten, dice Logan, entonces la fecha de caducidad podría ser menos problemática.
Este, hasta el momento, hipotético dispositivo podría resolver también otro problema. 'Imagine que alguien inventa un nuevo antibiótico después de que se haya abandonado la Tierra. No podemos “subir a la red” pastillas, pero si podemos cargar software. Entonces si tenemos la capacidad de crear nuestras medicinas durante el vuelo, podríamos simplemente cargar la estructura de la nueva droga, y crearla ahí mismo'.
Las tecnologías necesarias para viajes de larga duración alrededor del Sistema Solar son similares a las que se utilizan para asistir a zonas rurales aisladas o a soldados en el frente. Muchas de estas facilidades ya existen, auque sea en formas poco evolucionadas. Sin embargo, los investigadores desean hacerlas más inteligentes, livianas, eficientes en el uso de energía y mucho más efectivas.
Ahora mismo, la “primera contramedida” recomendada por los doctores espaciales es simplemente ejercitarse. Los astronautas de la Estación Espacial Internacional se ejercitan cerca de dos horas diarias, usando cintas caminadoras, bicicletas estáticas, y un IRED - un dispositivo especialmente desarrollado para permitir a los astronautas realizar un entrenamiento de resistencia o fortaleza. Los medicamentos, también, pueden ayudar con algunos problemas: los bifosfonatos, por ejemplo, utilizados en la Tierra para disminuir el porcentaje de pérdida ósea en pacientes con osteoporosis, parecen probar ser útiles también para los astronautas.
'Es muy convincente como solución', dice Williams.
En Teoría, suministrar gravedad artificial es fácil. Las centrifugadoras de los laboratorios lo hacen todo el tiempo. Cuando giran, sus contenidos son empujados hacia afuera del eje de rotación. Es una fuerza que es similar a la gravedad.
Rotar una estación espacial entera, sin embargo, puede ser dos cosas: costoso y complejo. Esa es la razón por la que los investigadores del Centro de Investigación de la NASA han estado desarrollando una pequeña Centrifugadora accionada por Humanos. Esencialmente es una vía de ejercitamiento, en la cual un astronauta pedalea sobre una bicicleta alrededor en un circulo de 360 grados.
Pedaleando la bici por su camino circular, explica Williams, uno se convierte a sí mismo en una centrifugadora humana. 'Dependiendo de la velocidad a la que vaya, y el tamaño de su ruta, experimentará una pseudo-fuerza… un sustituto de la gravedad'.
Este tipo de dispositivo a tracción humana, proveerá una exposición intermitente a la gravedad artificial. Los investigadores deben todavía pensar cuanto de esta pseudo-gravedad se necesita para mantener a los astronautas en buenas condiciones. Además, la fuerza creada por tal dispositivo ¡podría sentirse con más fuerza en los pies del astronauta que en su cabeza! Pero podría bastar para contrarrestar los efectos de la gravedad cero (zero-g).
La radiación es otro problema. Ahora mismo, las contramedidas se limitan simplemente a acortar la exposición de los astronautas a esta – lo cual significa limitar la cantidad de tiempo que se les permite estar en el espacio. Pero en una misión larga de exploración, los astronautas tendrán que estar en el espacio por meses, y, más importante aún, el tipo de radiación en el espacio profundo es mas dañina que la de las órbitas bajas alrededor de la Tierra.
Una nave espacial para exploración tendrá que incluir escudos que puedan absorber los rayos cósmicos.
El mejor material para bloquear la radiación de alta energía es el hidrógeno, explica Frank Cucinotta, oficial de Salud anti-radiación de los astronautas y Jefe de Investigación de Salud y Radiación Espacial en el Centro Espacial Johnson. 'Pero no se puede hacer un escudo exterior sólo de hidrógeno, luego buscamos materiales con un alto contenido de hidrogeno, como el polietileno, un plástico común, el cual se compone de una parte de carbono y dos de hidrogeno'. El agua, nos dice William, con una parte de oxígeno y dos de hidrógeno, podría ser también una buena opción, pero resulta terriblemente pesada y costosa a la hora de lanzarla al espacio.
Para bloquear completamente la radiación, los escudos ricos en hidrógeno necesitarían tener un grosor de un par de metros - lo cual es impracticable, debido al peso y al volumen. Pero, extrañamente, del 30 al 35 por ciento de la radiación puede ser bloqueada por sólo de 5 a 7 centímetros de ancho. Eso, sugiere Cucinotta, podría ser la opción más eficiente.
Los astronautas aún necesitarían enfrentarse al 70 por ciento de la radiación que pasa a través de los escudos. Por lo que Cucinotta está buscando otras soluciones, como el uso de medicamentos.
Antioxidantes tales como las Vitaminas C y A pueden ayudar absorbiendo partículas producidas por la radiación antes de que puedan hacer algún daño. Los científicos de la NASA están buscando maneras de ayudar al cuerpo después de que el daño haya sido hecho. Un caso, por ejemplo, puede ser desarrollar una forma para instruir a una célula dañada y anormal a que se destruya a si misma. Otro investigador está explorando el ciclo de la célula: una vez que la célula se divide, hace pausas ocasionales, para chequear sus genes, verificar cualquier daño y reparar los errores.
Con fármacos que alarguen esta parte del ciclo, los investigadores creen que pueden darle a la célula más de una oportunidad para reparar sus propios problemas
Aún si pudiéramos prevenir el daño causado por la radiación y la pérdida de peso, esto sería solamente parte de lo que es necesario para explorar Marte e ir más allá. 'El otro elemento', dice Dave Williams, 'es el diagnóstico y tratamiento de la enfermedad'. Aún, cuando los astronautas, son saludables y preparados, existe la posibilidad de que algunos problemas médicos pudieran surgir durante misiones largas. Los astronautas necesitarían poder tratar cualquier enfermedad por si mismos, usando solamente las herramientas que han llevado con ellos.
A millones de millas del hospital más cercano, los doctores del espacio necesitarán tecnología médica avanzada: dispositivos miniaturizados para llevar a cabo operaciones con el mínimo de invasión posible al cuerpo; ayudantes robots con manos superestables; sistemas médicos inteligentes que puedan diagnosticar y, posiblemente tratar, enfermedades; y capacidades de telemedicina que permitirán al Oficial Médico en Jefe de la Nave hacer consultas a expertos en la Tierra.
De hecho, muchos de estos dispositivos ya han sido desarrollados en la Tierra.
Los desfibriladores externos son un buen ejemplo, dice Jim Logan, Director de la Oficina de Sistemas en Cuidados en Salud e Informática Médica del Centro Espacial Jonson. Estos dispositivos, que emplean descargas eléctricas para reactivar el corazón de un paciente, son buenos ejemplos de sistemas médicos inteligentes. 'La experiencia', dice Logan, 'es toda local, residente en la máquina'. El dispositivo por si mismo puede decidir si ha sido conectado correctamente, si el paciente necesita ser desfibrilado, y si decide que la respuesta es afirmativa, sigue adelante y provee el tratamiento. Este tipo de capacidad, la cual contiene todo en un paquete pequeño, liviano y fácil de usar, es parte primordial de lo que se necesita para suministrar cuidado clínico en una misión de exploración de larga duración.
La telemedicina será otra herramienta clave, y esa también ha sido explorada 'Nosotros tenemos en el JSC - Centro Espacial Jonson - una clínica teledermatológica basada en los principios de la medicina para vuelos espaciales', dice Williams. 'Si asistes a la clínica con un problema de piel – un enrojecimiento, por ejemplo, nosotros tomamos una imagen digital de alta resolución del enrojecimiento y lo enviamos a un experto a través de Internet. El dermatólogo da su diagnóstico, y recomienda un tratamiento'. El paciente no necesita ser observado en persona. Para el doctor, ellos podrían estar en Marte.
Existen muchas posibles tecnologías. Consideremos un dispositivo que pueda producir medicinas a partir de sustratos almacenados - solamente cuando las medicinas sean necesitadas. Las misiones de exploración de largo tiempo es probable que excedan el tiempo de vida de muchos fármacos, explica Logan. Pero si puedes producir fármacos cada vez que se necesiten, dice Logan, entonces la fecha de caducidad podría ser menos problemática.
Las tecnologías necesarias para viajes de larga duración alrededor del Sistema Solar son similares a las que se utilizan para asistir a zonas rurales aisladas o a soldados en el frente. Muchas de estas facilidades ya existen, auque sea en formas poco evolucionadas. Sin embargo, los investigadores desean hacerlas más inteligentes, livianas, eficientes en el uso de energía y mucho más efectivas.
la 3a ley de Newton
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
Cualquier acción aplicada sobre un cuerpo provoca una reacción sobre el mismo cuerpo, de igual magnitud y opuesta a la primera
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.
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 mayor será la velocidad de reacción del cohete.
La energía mecánica (es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energíaspotencial y cinética de un cuerpo en movimiento. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo.)
3ª ley de Newton. Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en direcciones opuestas.
La energía cinética de un cuerpo es una energía que surge en el fenómeno del movimiento. Está definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde el reposo hasta la velocidad que posee. Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su rapidez. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía cinética.
: El empuje es una fuerza mecánica que permite el movimiento de un cuerpo en el aire. Si se considera la Tercera ley de Newton, el empuje sería en un cohete de agua equivalente a la reacción que se produce cuando el agua y el aire comprimido salen por la boca de la botella. El empuje es producto de la reacción de un fluido que acelera. En el cohete, la dirección del empuje es hacia arriba y su magnitud depende de la masa de agua que salga despedida.
Presión: Se debe tener en cuenta que la presión es la fuerza que se ejerce sobre una unidad de área específica y es perpendicular a la superficie.
La presión tiene magnitud pero no tiene dirección. “La presión ejercida por el gas es la que ejercen las moléculas del propio gas. Se le llama presión interna porque actúa desde adentro hacia fuera a través de los choques de sus moléculas con el recipiente que las contiene En cambio, la presión ejercida sobre un gas corresponde a la fuerza que se ejerce sobre él comprimiendo sus moléculas para que ocupen un volumen determinado. Esta se llama presión externa.”
Rozamiento : El Rozamiento es la fuerza que se opone al desplazamiento de un cuerpo en el aire. Se produce cuando el cuerpo está en movimiento y su dirección es contraria a la del cuerpo. Se puede considerar como fricción aerodinámica en la medida en que depende de las propiedades tanto del fluido en dónde se mueve el cuerpo y del cuerpo mismo.
El rozamiento es a la vez una resistencia aerodinámica en la medida en que varía dependiendo de la forma del cuerpo en movimiento ya que de este dependen las variaciones de la presión en el medio.
3ª ley de Newton, conocida también como Principio de acción-reacción
Cualquier acción aplicada sobre un cuerpo provoca una reacción sobre el mismo cuerpo, de igual magnitud y opuesta a la primera
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.
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 mayor será la velocidad de reacción del cohete.
La energía mecánica (es la energía que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo, por lo tanto, es la suma de las energíaspotencial y cinética de un cuerpo en movimiento. Expresa la capacidad que poseen los cuerpos con masa de efectuar un trabajo.)
3ª ley de Newton. Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en direcciones opuestas.
La energía cinética de un cuerpo es una energía que surge en el fenómeno del movimiento. Está definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde el reposo hasta la velocidad que posee. Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su rapidez. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía cinética.
: El empuje es una fuerza mecánica que permite el movimiento de un cuerpo en el aire. Si se considera la Tercera ley de Newton, el empuje sería en un cohete de agua equivalente a la reacción que se produce cuando el agua y el aire comprimido salen por la boca de la botella. El empuje es producto de la reacción de un fluido que acelera. En el cohete, la dirección del empuje es hacia arriba y su magnitud depende de la masa de agua que salga despedida.
Presión: Se debe tener en cuenta que la presión es la fuerza que se ejerce sobre una unidad de área específica y es perpendicular a la superficie.
La presión tiene magnitud pero no tiene dirección. “La presión ejercida por el gas es la que ejercen las moléculas del propio gas. Se le llama presión interna porque actúa desde adentro hacia fuera a través de los choques de sus moléculas con el recipiente que las contiene En cambio, la presión ejercida sobre un gas corresponde a la fuerza que se ejerce sobre él comprimiendo sus moléculas para que ocupen un volumen determinado. Esta se llama presión externa.”
Rozamiento : El Rozamiento es la fuerza que se opone al desplazamiento de un cuerpo en el aire. Se produce cuando el cuerpo está en movimiento y su dirección es contraria a la del cuerpo. Se puede considerar como fricción aerodinámica en la medida en que depende de las propiedades tanto del fluido en dónde se mueve el cuerpo y del cuerpo mismo.
El rozamiento es a la vez una resistencia aerodinámica en la medida en que varía dependiendo de la forma del cuerpo en movimiento ya que de este dependen las variaciones de la presión en el medio.
experimento: "cohete de agua"
Los cohetes funcionan gracias al principio de acción y reacción: los gases que salen por los motores empujan al cohete en dirección contraria. Esos gases se producen al mezclar el combustible con oxígeno.
La construcción y lanzamiento de cohetes de agua es un experimento físico muy interesante, porque en él se aplican de manera práctica muchos principios básicos de la física. Entender estos principios ayuda a diseñar bien los cohetes para hacerlos más eficientes, pero también permite conocer estos conceptos teóricos y aprender a pensar.
Este proyecto tiene, por ello, dos partes. La primera consiste en entender todo lo que hace que un cohete vuele bien. La segunda consiste en aplicar estos conocimientos con iniciativa para construir los cohetes de la mejor manera posible.
Demostración de la Ley de Acción y Reacción (Tercera Ley de Newton) mediante la utilización de un Cohete a base de agua.
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 enenergía cinética, las del movimiento del agua y el cohete
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.
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 , 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.
1ª Fase: El llenado de "combustible"
El cohete va a funcionar utilizando como "combustible", un líquido que propulsará el cohete, en nuestro caso, agua utilizando el principio de acción y reacción.
En nuestras pruebas la cantidad óptima es alrededor de 1/3 de la capacidad de la botella, para cantidades mucho mayores,(más de la mitad) la botella despegará con gran parte de agua en su interior lo que hará que alcance una menor altura, en caso contrario, si se ha llenado con poca agua, se realiza un menor impulso inicial y también alcanzaremos menor altura, el llenado es pues, una fase importante, debemos, realizar distintas pruebas hasta determinar la cantidad de agua más adecuada.
2ª Fase: El taponado y puesta en marcha
Una vez cargada, tapamos nuestra botella con un tapón de corcho o de goma de laboratorio, en el que previamente hemos introducido una aguja de inflador de balones o un canutillo de bolígrafo.
Esta es la fase más crítica, en la construcción de los cohetes de agua y de ella depende gran parte del éxito del vuelo, el tapón debe quedar lo más hermético posible, para que en el momento del inflado no pierda agua, además cuanto más apretado este más presión de aire soportará por tanto el impulso inicial y la altura alcanzada será mayor.
3ª Fase: El inflado y despegue
Después de taponar bien el cohete y conectar la goma del inflador colocamos, con ayuda de una plataforma, el cohete en posición vertical o inclinada en el caso de que queramos un vuelo parabólico y comenzamos a llenar la botella con ayuda del compresor de bicicleta, debemos tener paciencia porque esta fase puede llevar varios minutos.
Al llenar el cohete de aire y comprimirlo estamos aumentando la presión en su interior, cuando la presión llega a un determinado valor el tapón salta y el liquido es desplazado contra el suelo, de esta forma se realiza una fuerza contra el mismo a la que según la tercera ley de Newton se le opone otra fuerza igual y en sentido contrario, esta fuerza es la que hace que los cohetes se eleven.
Por lo tanto podemos afirmar, como hemos dicho antes que la altura que toman los cohetes es directamente proporcional a la presión a la que son sometidos los cohetes; esto quiere decir que a mayor presión mayor altura.
La presión a la que podemos someter los cohetes está relacionada con lo ajustado que este el tapón, cuanto más ajustado, podremos introducir más aire, y por lo tanto saldrá con mayor velocidad.
4ª Fase: El vuelo y aterrizaje
1. El agua sale hacia abajo impulsando los cohetes, y haciendo que estos salgan despedidos.
2. Debido al rozamiento con el aire, y sobre todo a su peso que los atrae hacia la tierra debido a la atracción gravitatoria, los cohetes tienen una deceleración que los va frenando hasta alcanzar una altura máxima (25-100 m), en este momento su velocidad es 0 m/s.
3. A partir de este momento los cohetes comienzan a descender.
cronologia de la mision
- 00:00:00- despegue desde la plataforma del complejo 39 del polígono de lanzamiento de cabo Cañaveral.
- 00:02:41- separación del tramo S1C y encendido por control remoto del tramo S2.
- 00:03:17- separación de la torre de salvamento.
- 00:09:15- separación del tramo S2 y encendido por control remoto del motor S4-B. 1ª decisión Go/No go
- 00:11:53- parada del motor del tramo S4B y puesta en órbita de espera.
- 02:44:14- inicio del vuelo propulsado a la Luna. Encendido durante 307 s del motor del tramo S4B.
- 02:49:26- inicio del vuelo no propulsado en dirección a la Luna.
- 03:14:46- separación del tramo S4B.
- 03:25:00- inicio de la maniobra de extracción del L.E.M. del tramo S4B.
- 04:39:45- fin de la maniobra de extracción del L.E.M.
- 26:50:26- corrección de trayectoria; funcionamiento durante 3 s del motor del S.M. del Apolo.
- 75:54:28- puesta en órbita lunar elíptica. Encendido durante 357 s del motor del S.M.
- 80:09:30- puesta en órbita circumpolar. Encendido durante 17 s del motor del S.M.
- 100:15:00- desacoplamiento del módulo lunar del complejo Apolo.
- 101:38:48- inicio del descenso a la Luna. Encendido durante 29 s del motor de ajuste del L.E.M.
- 102:35:11- descenso hacia la Luna. Entra en funcionamiento el motor del tramo de descenso del L.E.M.
- 102:47:03- alunizaje en el Mar de la Tranquilidad a 0º42'50"N-23º42'28"E e inicio de las actividades E.V.A.
- 124:23:21- despegue de la Luna. Entra en funcionamiento el motor del módulo de ascenso del L.E.M.
- 124:30:44- inicio de la orbitación circular del L.E.M.
- 128:00:00- maniobra de ensamblaje a 110 km entre el módulo de ascenso del L.E.M. y el complejo Apolo.
- 131:53:00- separación del L.E.M. del Apolo. Funcionamiento del motor del Apolo durante 71 s
- 135:24:34- inicio del vuelo a la Tierra. Funcionamiento durante 151 s del motor del S.M.
- 150:27:00- corrección de la trayectoria. Funcionamiento durante 10 s de los cohetes de maniobra.
- 195:03:27- consecución del nivel de repenetración en 120 km de altitud.
- 195:03:45- interrupción de las radiocomunicaciones por el recalentamiento producido por la fricción.
- 195:06:51- restablecimiento del contacto radio.
- 195:11:39- apertura de los paracaídas de estabilización.
- 195:12:17- apertura de los paracaídas principales.
- 195:19:06- amerizaje en el Océano Pacífico y recogida de la tripulación por un portaaviones de apoyo.
- 195:19:07- inicio de la cuarentena.
- 1155:19:07- fin de la cuarentena
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