PROPOSTA 3: COET DE PVC

Ciència d'alçada: Construint coets a l'escola 

Autor(s): Jan-Erik Rønningen, Rohan Sheth, Frida Vestnes, Maria Råken

Traduït per Ramón Vargas Salas. Alguna vegada vas voler llançar un coet? Jan-Erik Rønningen, Frida Vestnes, Rohan Sheth i Maria Råken del Campament Espacial Europeu t'expliquen com fer-ho.

Llançant el coet

Imatge cortesia de the

European Space Camp

Les ciències espacials són un camp de studio fascinant, ja sigui a l'escola o, com en el nostre cas, durant una setmana al Campament Espacial Europe a Noruega (veure el requadre ). Una activitat manual que es pot introduir fàcilment a l'aula és la coeteria.

Els coets de paper són petits i relativament simples de construir, i poden assolir distàncies de vol de 50 metres o més, permetent als estudiants fer competències en termes d'alçada o distància, depenent de l'espai disponible. Els estudiants també poden ser creatius en dissenyar coets visualment lamatius o usant diferents materals. Fer un coet de paper és la manera perfecta de divertir-se i aprendre molta física alhora. Aquí descriurem un coet senzill que construïm i llancem durant el Campament Espacial Europeu del 2011.

Llançament del coet de

Renu

Imatge cortesia de the

European Space Camp

Construir coets de paper permet als estudiants lligar diversos conceptes físics, en particular, les equacions del moviment que relacionen la velocitat, l'acceleració, la distància i el temps; així com els principis de l´aerodinàmica. També brinda una introducció molt emocionant a allò que és ser un científic: dissenyar un coet a partir de principis teòrics, dur a terme un experiment en llançar el coet i finalment, analitzar els resultats per obtenir conclusions i identificar punts de millora per al futur.

Construint el coet

Materials

• Dos fulls de paper mida A4

• Tisores

• Cinta adhesiva

• Plastilina o massilla

Procediment

L'objectiu a l'hora de construir un coet és minimitzar l'arrossegament (la resistència de l'aire). L'arrossegament depèn principalment de la velocitat però també, de l'àrea de la superfície frontal, el coet i de la seva forma, consideracions molt iportants quan es dissenya un coet.

Cos del coet:

1. Enrotlla un full de paper en forma d'un cilindre per formar el cos del coet.

2. Segella un dels extrems oberts del cilindre amb cinta adhesiva, per fer el front del coet. Reviseu que el segell no tingui fuites d'aire bufant a l'interior del cilindre

1. .

Formant el nas del con

Imatge cortesia de the

European Space Camp

Con del nas:

1. De l'altra peça de paper talla un cercle amb un diàmetre de 7,5 cm i després talla del cercle un sector d'aproximadament 90 graus.

2. Doblega la resta de la peça de paper per formar un con i col·loca un tros petit de plastilina o massilla a la punta del con, per dins, abans d'ajustar el con a l'extrem segellat del cos del coet amb cinta adhesiva.

Aletes:

1. Talla quatre triangles de paper de la mateixa mida i doblega un dels costats de cada triangle per formar una solapa, la qual haurà de ser enganxada al coet.
   Els estudiants deuran pensar sobre la forma òptima de l'aleta: algunes formes faran que el coet giri de més, d'altres menys. És la rotació desitjable en un coet?

Estabilitat

L'estabilitat d'un coet depèn d'on es trobe ubicat el centre de risc en relació amb el centre de pressió. Per a un coet estable, el centre de gravetat haurà d'estar davant del centre de pressió en tot moment. Dit en termes senzills, el centre de pressió és el lloc on actuen la suma de totes les forces d'arrossegament.

Si el centre de pressió és davant del centre de gravetat, apareix un moment de rotació causant que el coet giri a mig vol. Aquesta és la raó que en general es posi un contrapès al con del nas

Si la distància relativa entre el centre de gravetat i el centre de pressió és molt gran, ja sigui perquè s'ha posat molta massa al capdavant del coet o perquè les aletes s'excedeixen de mida, el coet serà més sensitiu al vent

Llançant el coet

Per llançar el coet cal un llançador, el qual per raons de seguretat haurà de ser construït pel mestre. Hi ha molts tipus de llançador, però essencialment tots estan formats per un tub amb tres parts:

1. Una càmera de compressió en la qual és aire és pressuritzat, ja sigui usant un compressor o una bomba de bicicleta amb un mesurador de pressió (Figura 1, A+B).

2. Un tub de llançament en què es col·loca el coet (Figura 1, D). Un tub de llançament ajustable permet variar lʻangle de llançament del coet.

3. Un mecanís (per exemple una vàlvula electrònica o una clau) per alliberar la pressió de la càmera de compressió cap al tub de llançament (Figura 1, C). L'alliberament sobtat de l'aire pressuritzat és el que llença al coet.

Recomanem construir un llançador robust fet de canonada de metall amb un tub de llançament ajustable. Això permet reproduir llançaments amb diferents angles delevació. Al Campament Espacial Europeu utilitzem un sistema de llançament en el qual l'aire és bombat és un sistema de canonada de coure usant un compressor d'aire de baix cost, un sistema estable i robust que pot ser usat una vegada i una altra. Per a instruccions descarregables, vegeu a sota w1 . També es pot construir un llançador robust de PVC, usant materials que s'obtenen fàcilment en ferreteries, com es descriu al lloc de la NASA w2 .

Quan es llanci el coet, observen que no necessàriament una pressió d'aire més gran brinda millors exercicis. Això és així perquè l'arrossegament aerodinàmic del coet augmenta amb la velocitat: les aletes del coet es poden distorsinar, incrementant l'arrossegament i reduint l'acompliment.

Abans de decidir l'angle amb què llançar el coet, els estudiants haurien de pensar en la manera com l'angle d'elevació afecta la distància total viatjada i l'apogeu del coet (el punt més alt sobre el pis).

Seguretat

La seguretat és important a l'hora de llençar coets. Els estudiants hauran de portar lents de seguretat i col·locar-se darrere del llançador en tot moment, per evitar ser copejats pel coet. Quan es faci servir un compressor per al llançador, assegureu-vos de no sobrepassar el límit, la qual cosa podria causar que les parts del llançador s'enlairessin o fins i tot que es trenquessin. El límit exacte dependrà dels materials que s'utilitzin: el llançador de coure construït al Campament Espacial Europeu w1 pot suportar més de 8.3 bars (120 psi) de pressió; el llançador de PVC de la NASA w2 està limitat a 2.0 bars (30 psi).

Extres

Després del lanament els estudiants poden analitzar la trajectòria del coet i calcular l'alçada màxima (apogeu) assolida pel coet així com la velocitat inicial. Per realitzar l'anàlisi de la trajectòria cal fer algunes mesures abans del llançament (vegeu la Figura 2):

• La longitud del cos del coet ( h en m)

• El diàmetre interior del tub de llançament ( D i , en m)

• La pressió dins del llançador ( P en pascals) abans del llançament, mentre la vàlvula encara està tancada; aquesta pot llegir-se a la sortida de la bomba de peu o el compressor, i convertir-se de psi o baris a pascals. (Se suposa que la pressió és constant al llarg del tub.)

• La massa del coet ( m r , en kg)

• L'angle d'elevació ( θ , en graus; Figura 3 ).
   

1. El primer pas consisteix a calcular a velocitat inicial ( n 0 ) del coet. Aquesta és igual a l'acceleració ( a ) del coet multiplicada pel temps ( t 0 ) durant el qual ha actuat la força sobre el:

La velocitat inicial del coet ( ν 0 ) ara es pot expressar en termes de variables conegudes en inserir les expressions per al temps t 0 (Equació 6) i l'acceleració a (Equació 4) a l'equació per a la velocitat inicial (Equació 1):

Suposarem que el coet té una trajectòria parabòlica i això permet calcular l'equació per a la trajectòria del coet.

Figura 3: La trajectòria de cel del coet: Imatge cortesia de the European Space Camp

1. Descomponent el vector velocitat inicial n 0 i els seus components x i y, la distància viatjada pel coet en aquestes adreces

1.  serà:

On g és la constant de la gravetat.

2. De l'equació per a la distància viatjada a la direcció x (Equació 8), es pot inserir una expressió per al temps a l'equació per a la distància viatjada a la direcció i (Equació 9), i això ens dóna l'equació per a la trajectòria del coet:

El Campament Espacial Europeu

El campament Espacial Europeu s'enfoca en temes importants dins de la indústria espacial, motivant i inspirant els joves estudiants en mostrar idees teòriques que es poden posar en pràctica.

Durant la setmana que dura el campament al Ranxo Coet Andøya, a Noruega, la instal·lació permanent ubicada més al nord al món, 24 estudiants d'entre 17 i 20 anys, són tractats com a científics de coets reals, usant equips professionals i resolent avançats problemes en equips internacionals.

Cada equip aborda un aspecte diferent de la coeteria com el disseny de sistemes, instrumentació experimental, acoblament de la càrrega o telemetria; tots treballant amb vista a llançar un “coet sonor” que porti instruments. Els participants també reben conferències d'alguns dels millors científics d'Europa sobre temes que van des de la física dels coets fins a les aurores boreals. Algunes de les conferències són recolzades amb fascinats activitats manuals, com ara construir coets de paper com els que es descriuen en aquest article.

Els estudiants interessats a ser candidats per participar al campament del 2012 (24 de Juny – 2 de juliol, 2012) hauran de visitar el lloc web w3 o enviar un correu electrònic a contact@spacecamp.no .

Web References

• w1 – Es poden descarregar instruccions per a la construcció del nostre llançador de coets en format Word® o PDF .

• w2 – Instruccions per construir l llançador de coets de canonada de PVC poden descarregar-se del lloc web de la NASA ( www.nasa.gov – cercar 'High-Power Paper Rocket Launcher Directions') o via la lliga directa: http://tinyurl .com/7lydxuc

• Aquestes instruccions són part de la guia de coets per a educadors de la NASA, la qual ofereix moltes activitats més per a l'aula, vegeu www.nasa.gov o utilitzeu la lliga directa: http://tinyurl.com/yx2et6

• w3 – Per saber més sobre el Campament Espacial Europeu i sobre com participar-hi, vegeu http://www.spacecamp.no

Resources

• La revista nord-americana Make ofereix instruccions descarregables per construir un llançador de coets fet de PVC i un coet de paper ( http://blog.makezine.com ; 'weekend project: compressed air rocket') o utilitzeu la lliga directa: http:/ /tinyurl.com/7twlba6

  • També hi ha a YouTube un vídeo que mostra com construir el llançador: www.youtube.com/watch?v=eNFfK5uo6D0

  • Fins i tot es pot comprar un paquet amb totes les peces necessàries (tot i que cal notar que els materials són estàndards dels Estats Units, així que poden no ser compatibles amb les parts Europees); vegeu www.makershed.com o utilitzeu la lliga directa: http://tinyurl.com/75vdss4

• Per a instruccions en anglès i noruec per construir un coet d'aigua, vegeu el lloc web de Sarepta, Usant l'Espai en l'Educació ( www.sarepta.org ), o feu servir la lga directa: http://tinyurl.com/7kl7q5q

• Si esteu interessats en lliçons que els portin encara més a l'espai, busqueu com construir un hàbitat espacial a l'aula. Vegeu:

  • Tranfield E (2011) Building a space habitat in the classroom . Science in School 19 : 43-49. www.scienceinschool.org/2011/issue19/habitat

• Per trobar com construir un coet impulsat per CO 2 , vegeu:

  • Rau M (2011) Divertida efervescència: CO2 a l'ensenyament de les ciències a primària . Science in School 20 . www.scienceinschool.org/2011/issue20/co2/spanish

Author(s)

Jan-Erik Rønningen és un enginyer de propulsió a Nammo Raufoss i és el líder del grup de disseny de sistemes de coets al Campament Espacial Europeu. Ha treballat a la divisió de productes de míssils de Nammo Raufoss des de 1997, desenvolupant nova tecnologia de coets. Al Campament Espacial Europeu és el principal expert en coets i sobre com funcionen.

Rohan Sheth és un estudiant de tercer any al Col·legi Imperial de Londres, Regne Unit, que estdia un mestratge en matemàtiques i que actualment passa un any com a estudiant d'intercanvi Erasmus a la Universitat Humboldt de Berlín, Alemanya. És el representant britànic de l'Equip Campament Espacial, que organitza el Campament Espacial Europeu juntament amb el Centre Noruec per a l'Educació Relacionada amb l'Espai (NAROM).

Frida Vestnes és una estudiant de primer any a la Universitat Noruega de Ciència i Tecnologia, estudiant un mestratge en enginyeria mecànica. Ella és el cap de l'Equip Campament Espacial.

Maria Råken és una estudiant de primer any de la Universitat d'Oslo, Noruega, que està prenent un programa d'un any en ciència abans d'iniciar un mestratge en química a la Universitat Noruega de Ciència i Tecnologia. Ella és membre de l'Equip Campament Espacial.

Review

Construir i llançar coets és definitivament una experiència única que els estudiants poden gaudir amb els seus parells. És una forma d'unir ciència antiga i contemporània, ja que s'apliquen teoria i equacions estàndard a tècniques avançades usades en l'exploració espacial.

L'activitat descrita en aquest article definitivament hauria de crear emoció entre els estudiants, la majoria dels quals faria el seu millor esforç per construir el millor coet possible. Abans d'intentar construir el seu coet, haurien d'explorar i discutir com la forma de dimensions i materials usats afecatran el rang, apogeu i temps de viatge del coet. Després de realitzar l'activitat, es pot explorar una nova dimensió de discussió, replantejament i avaluació, amb els estudiants discutint els seus resultats individuals amb tota la classe i investigant quins mètodes i models funcionen millor i per què. Encara més, poden intentar millorar els models i tornar a provar les hipòtesis.

Alguns temes, no tots científics, es poden discutir amb la classe abans o després de l'activitat, incloent-hi:

• Curiositat humana sobre l'univers

• Missions espacials que han estat reeixides.

• Missions que han estat menys reeixides

• Justificar el pressupost en algunes d'aquestes missions en vista dels problemes econòmics actuals

• L'entrenament acadèmic, físic i psicològic requerit pels astronautes.

Aquesta activitat involucra una àmplia varietat de temes de física ideals per a edats entre 13 i 16 anys; també involucra conceptes, equacions i matemàtiques adequades per als estudiants més grans de 16 anys. Els mestres poden adaptar els càlculs involucrats segons el nivell de la classe. Els temes involucrats són gravitació i velocitat de fuita; estabilitat i centre de gravetat; moviment de projectils; resistència de l'aire en relació amb la massa i la forma del coet; conservació del moment i lenergia durant el llançament, i propietats de materials.

Catherine Cutajar, Malta

License

CC-BY-NC-SA