Día de la ciencia

Introducción
Con el motivo del día de la ciencia, hemos decidido encargarnos del lanzamiento de cohetes y estudiar la física que hay detrás de ella.
Para el experimento hemos realizado una búsqueda en Internet sobre el lanzamiento de cuerpos y posteriormente, nos hemos centrado en el campo aeroespacial.
Esta experiencia está relacionada con la conservación de la energía, las leyes de Newton, la caída libre de los cuerpos (MRUA) y presión atmosférica e hidrostática teniendo en cuenta la gravedad. Estos conceptos los habíamos estudiado con anterioridad pero queríamos ponerlos en práctica.
Todo empezó con una investigación y luego nos pusimos manos a la obra para construir nuestro propio cohete después de haber encontrado la forma de hacerlo. Como es algo nuevo para nosotras, no estamos completamente seguras de lo que va a suceder pero nuestras hipótesis apuntan a que el cohete, mediante la presión del aire ejercida por la bomba a través del tapón, hará que el cohete salga disparado hacia arriba. Ese es nuestro principal objetivo.

Construcción
Lo primero que construiremos será la plataforma, ya que es lo más sencillo. Lo que haremos será pegar cuatro trozos de madera simétricos a una plancha de madera, a la que anteriormente haremos un agujero en medio para colocar el cohete antes de su despegue. Para que la plancha sea más estable, colocaremos unas baras de madera para la triangulación. Una vez hecho esto, fijaremos una varilla de acero como guía para que el cohete se mantenga vertical y salga disparado hacia arriba. Con ello, nos aseguraremos de realizar un lanzamiento vertical más preciso e intentaremos lograr el máximo alcance del cohete.
A continuación, construiremos el cohete pegando cuatro alerones de cartón a la botella y situaremos un cono de cartulina en la punta dentro para que sea más aerodinámico. De esta manera, alcanzará una velocidad razonable y, además, introduciremos plastilina para aumentar el peso del cohete.
Materiales empleados

• Botella de plástico
• Tapón
• Papel plastificado
• Madera
• Cartón
• Pegamento y cola
• Cartulina
• Plastilina
• Pintura
• Bomba de aire
• Agua

Problema
Teniendo en cuenta que el cohete, una vez llega a su altura máxima, se detiene y cae gracias a la gravedad, calcula la velocidad inicial que debe proporcionar la bomba.
MRUA

Conservación de la energía

Fórmulas

Concepto de gravedad
Es una de las cuatro interacciones fundamentales junto a la interacción nuclear débil, fuerte y electromagnética. Origina la aceleración que experimenta un cuerpo físico en las cercanías de un objeto astronómico. Por efecto de la gravedad tenemos la sensación de peso. Si estamos situados en las proximidades de un planeta, experimentamos una aceleración dirigida hacia la zona central de dicho planeta.
Para calcular la fuerza de la atracción gravitatoria podemos usar la ley de la gravitación universal(LGU):

La fuerza de atracción gravitatoria es el resultado de multiplicar la constante gravitacional (6,67·10^-11 N·m^2·kg^-2) por las masas de ambos cuerpos y dividirlo entre la distancia que los separa al cuadrado.
La gravedad de La Tierra es 9,8 m/s^2.

Leyes de Newton

1. Principio de la inercia: Con respecto al cohete, podemos afirmar que si no le aplicamos ninguna fuerza no cambia su posición.
2. Principio fundamental de la dinámica-> F=m·a :Con la fórmula podemos deducir la aceleración que va a sufrir conociendo la fuerza aplicada por la bomba y conociendo la masa del cohete (si se aumenta la masa, la aceleración disminuye).
3. Principio de acción reacción: Cuando se ejerce una fuerza sobre un objeto, este realiza una fuerza igual pero de sentido contrario. En el caso de los cohetes, esta ley se ve aplicado cuando los gases que salen por los motores empujan a los cohetes en dirección contraria. Dichos gases se producen al mezclar el combustible con oxígeno. En el caso de nuestro cohete de agua, la propulsión del cohete produce la expulsión de una parte de su masa (del agua) hacia atrás, lo que provoca un empuje que propulsa al resto del sistema hacia delante (acción-reacción), compensando la cantidad de movimiento total del sistema.

Concepto de presión atmosférica

La presión atmosférica es la fuerza por unidad de superficie que ejerce el aire sobre la superficie. Se puede obtener su medida en un lugar determinado pero de ella no se pueden sacar muchas conclusiones. La unidad de medida son las atmósferas aunque en ocasiones se utilizan los milibares. El instrumento para medir es el barómetro terrestre.La densidad del aire disminuye conforme aumenta la altura y varía con la latitud.

Concepto de presión hidrostática

En cambio, la presión hidrostática, un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes del fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión provoca, en fluidos en reposo, una fuerza perpendicular a las paredes del recipiente sin importar la ordenación que adopten las caras.

Concepto velodidad de escape:

Es la velocidad mínima con la que debe lanzarse un cuerpo para que el escape de la atracción gravitatoria de La Tierra o de cualquier otro astro de forma que, al escapar su influjo, la velocidad del cuerpo sea 0. Esto significa que el cuerpo o el proyectil no volverá a caer sobre La Tierra o astro de partida, quedando en reposo a una distancia suficientemente grande (en principio, infinita).

Conclusión

Tras construir tanto el cohete como la plataforma, y encontrar una bomba para introducir en nuestro cohete (donde actuará la presión, tanto atmosférica como hidrostática), realizaremos unas pruebas en el patio de baloncesto. El primer intento cumplió nuestras espectativas ya que no se elevó más de un metro, pero, sin embargo, el segundo intento fue exitoso dado que superó la altura del edificio colindante al patio. Tras ver que nuestro cohete funciona, sentimos que nuestro trabajo había tenido bastante éxito y, sin duda alguna, nos alegramos al ver que las investigaciones y las horas dedicadas a este proyecto habían dado sus frutos. Esta experiencia nos ha servido para ver el concepto de la caída libre, MRUA, las leyes de Newton y la presión hidrostática y atmosférica de una forma distinta, aplicada a la vida real y, por tanto, más cercana.

Bibliografía

Hemos recurrido a diversos blogs de física que hemos encontrado en Internet, al campus en el apartado de física y química, al libro de química y a nuestros conocimientos previos.

Agradecimientos

Para empezar, querríamos agradecer a nuestro profesor de física, Víctor Acosta, por proporcionarnos los conocimientos necesarios para poder llevar a cabo este experimento. A continuación, también nos gustaría agradecer al Colegio Base por facilitarnos las instalaciones y los materiales requeridos.

Vídeo lanzamiento:

Fotos póster científico:

Millikan

Robert Andrews Millikan fue un físico experimental estadounidense ganador del Premio Nobel de Física en 1923 por su trabajo para determinar el valor de la carga del electrón y el efecto fotoeléctrico.También investigó los rayos cósmicos.

Los resultados definitivos llegaron en 1910 cuando reemplazó las gotas de agua por su experimento con gotas de aceite, deduciendo de sus observaciones el primer valor preciso de la constante eléctrica elemental.

La hipótesis de Symmer (1896) explica que la electricidad se considera una forma de energía capaz de admitir dos clases de fluidos ligeros. Uno resinoso, o negativo, y el otro vítreo, o positivo. Symmer decía que estas propiedades eran neutralizadas al combinarse ambos fluido.Más tarde, a inicios del siglo XX, la hipótesis de Symmer volvió a mostrarse ayudando al descubrimiento del anión y el catión. La carga que Symmer creía existente puede ser demostrada fácilmente. Por ejemplo, con el caso que todos conocemos del papel y el globo.Cuando frotamos un globo, lo que estamos haciendo es cargarlo negativamente de tal forma que los papeles se verán atraídos hacia él, (demostrando así que el globo es el fluido vítreo y el papel el fluido resinoso) y que a estos les costará mucho despegarse ya que están cargados electrónicamente. 

Joseph John Thompson en 1897 mostró que lo rayos catódicos se desviaban en un campo eléctrico .La placa positiva atraía el haz y la placa negativa lo repelía. Thompson llegó a la conclusión de que los rayos catódicos se componen de partículas con carga negativa.Sus experimentos también mostraron que las partículas eran idénticas cualesquiera fuesen los materiales de los que estaban hechos los electrodos (negativo,cátodo y positivo ánodo)  o del tipo de gas que contuviese el tubo. Su conclusión fue que estas partículas negativas forman parte de todo tipo de átomos. A estas unidades con carga negativa se les llamó electrones por lo que los rayos catódicos son haces de electrones.
La presión del gas que hay en el interior afecta al experimento ya que cuanta más presión tenga el gas más desviación van a sufrir los rayos catódicos. Lo ideal era que el tuvo contuviese vacío pero Thompson creía que dentro había algo de gas. Era un vacío casi perfecto.

El modelo atómico de Thompson es una teoría sobre la estructura atómica propuesta por él mismo en 1904. Postulaba que los electrones, que el anteriormente había descubierto, se distribuían uniformemente en el interior del átomo suspendidos en una nube de carga positiva. El átomo se consideraba como una esfera con carga positiva con electrones repartidos como pequeños gránulos.
Este modelo explicaba adecuadamente muchos de los hechos observados de la química  y los rayos catódicos pero había predicciones incorrectas sobre la distribución de la carga positiva ya que resultaban incompatibles con los resultados del experimento de Rutherford que sgería que la carga positiva estaba concentrada en una pequeña región en el centro del átomo que es lo que se conoció como núcleo atómico.

Albert Michelson es un científico muy conocido que ayudó a Millikan a la hora de realizar su experimento sobre las gotas de aceite. Además, quería averiguar si realmente el éter influía en la velocidad de la tierra cuando orbitaba alrededor del sol debido a lo que se conocía como viento del éter. Ésto actuaba como el viento atmosférico y un balón, es decir, que a veces el viento aceleraría al balón pero a veces lo frenaría. Para ello, primero hay que saber lo que es el éter. Se pensaba que el éter era un fluido invisible, sin peso y elástico, que se consideraba que llenaba todo el espacio y constituía el medio transmisor de todas las manifestaciones de energía, como por ejemplo la luz. El éter, en mi opinión, no se considera viable hoy en día ya que la física y la química han realizado enormes progresos desde esa época.

Pero Michelson se dió cuenta de que la velocidad del viento del éter era mucho menor que la de la tierra, lo cual le impedía demostrar la teoría. Por ello, ideó un aparato (Interómetro de Michelson) que emitía una lucz monocromática que se dividía en dos direcciones cuando llegaba a un espejo. Después, los haces de luz rebotaban en unos espejos e iban hacia un receptor. Michelson, tras ciertos cálculos, concluyó que los dos haces de luz habían llegado a la vez. Esto hizo que la teoría quedara obsoleta ya que los dos haces de luz fueron en distintas direcciones y si el viento éter existiera, la velocidad de ambos habría variado.

La razón por la que los rayos X ionizan las gotas de aceite en el experimento que realizó Millikan se puede explicar gracias a Niels Bohr.

Bohr nació en Copenhague el 7 de Octubre de 1885. En 1911 se doctoró en la Diversidad de Copenhague y terminó sus estudios en Manchester con Rutherford como maestro. En 1916 empezó a impartir clases en la Universidad de Copenhague, pero en 1943 tuvo que huir a Suecia y, posteriormente, a Londres para evitar su arresto debido a la guerra. Allí, ayudó a los ingleses y los americanos a desarrollar armas atómicas. Finalmente, después de la guerra, volvió a Copenhague donde murió en 1962.

En el proceso de ionización, los átomos se cargan de manera eléctrica debido a que les faltan o les sobran electrones. 

Por ello, los Rayos X ionizan las gotas de aceite en el experimento de Millikan para llenar sus capas de electrones sin que quede ningún espacio libre. Esto hace que los electrones aumenten un nivel y de esta manera surge un equilibrio entre los electrones por que han ascendido de nivel gracias a el aumento de carga eléctrica que les ha proporcionado los rayos X. En el primer nivel caben hasta 2 electrones, en el segundo hasta 8, en el tercero hasta 18 y en el cuarto hasta 32 electrones. 

El experimento que hizo Robert Millikan fue el de la gota de aceite, que nos permitió obtener resultados por primera vez sobre el carácter discreto de la carga eléctrica. En un principio, se creyó que la carga eléctrica debía ser continua pero Millikan demostró lo contrario con este experimento.Lo llevó a cabo en la Universidad de Chicago en 1909 bajo las órdenes de Albert Michelson (físico conocido por sus experimentos acerca de la velocidad de la luz). Gracias a este experimentos y a otros trabajos sobre el efecto fotoeléctrico, el autor recibió el Premio Nobel de física en 1923.
Descripción del experimento: Para empezar, se introduce, mediante un atomizador, gotitas de aceite en un medio gaseoso controlado, con una viscosidad determinada y entre dos placas conectadas a una fuente de tensión. De esta manera, algunas gotas recibirán cierta carga electrostática por la fricción, o se cargan mediante una radiación externa ionizante (rayos X). Después, el campo eléctrico que producen las placas (vertical y hacia arriba) se opone a la fuerza de la gravedad y, por ello, algunas de las gotas se quedan en equilibrio. Entonces, se elige una gota y las demás descartan apagando y encendiendo la fuente de tensión.

Una vez tengamos la gota seleccionada, apagamos el campo eléctrico para que la gota caiga lentamente alcanzando una velocidad terminal. En ese momento, la fuerza de arrastre es igual y opuesta a la fuerza de la gravedad. Así, podemos calcular el radio de la gota.

A partir de entonces, volvemos a encender el campo eléctrico ajustándolo aunque que la gota se quede en equilibrio es bastante complicado. Al conseguirlo, la gota adquiere de nuevo una velocidad terminal que, introducida en las ecuaciones, nos permite calcular la carga eléctrica de la gota.

Repitiendo este procedimiento muchas veces con múltiples gotas de diferentes tamaños, Millikan llegó al resultado de que la carga eléctrica siempre toma un valor igual a un múltiplo entero de una carga elemental: la del electrón. Ese número es 1.6·10^-19, que es el valor que adopta cada partícula.

Este vídeo explica lo que hicieron Thompson y Willson, y como Millikan llegó a la conclusión de que era mejor medir las gotas de una en una en vez de en la nube. Pero esto era bastante complicado ya que el agua se evapora por lo que decidió llevarlo a cabo con gotas de aceite.

El efecto fotoeléctrico una  emisión de electrones por parte de un metal al ser irradiado con radiación electromagnética. Sin embargo, no sirve cualquier radiación electromagnética: tiene que tener una determinada frecuencia (frecuencia umbral) Por debajo de esta  no se produce efecto fotoeléctrico.Por encima de la frecuencia umbral sí que se produce el efecto fotoeléctrico y la emisión de electrones es mayor a medida que aumentamos la intensidad de la radiación. Einstein presentó la siguiente fórmula para este efecto:

A continuación algunos ejemplos del efecto fotoeléctrico:

El hecho de que con el paso de los años los científicos cambien de ambiente para realizar sus estudios desde nuestro punto de vista lo vemos muy enriquecedor ya que conocen a otros científicos y pueden compartir ideas,teorías, hipótesis...Se ven también rodeados de instalaciones y de facilidades distintas, lo que viene a ser un cambio de aires que les puede conducir a nuevos experimentos o incluso encontrar la solución a un problema que llevaban un tiempo trabajando. Muchas veces los científicos se quedan estancados en sus propias teorías y pensamientos y no son capaces de mirar la situación desde otra perspectiva, sin embargo, con un traslado a otro centro de investigación lo más probable es que al hablar y trabajar con otro personal y científicos, se de cuenta de algo que en su anterior emplazamiento no veía y encuentre un nuevo camino a su hipótesis/teoría.

Nosotras tres coincidimos que si se leen libros de divulgación científica, el conocimiento se ve ampliado y se pueden llegar a entender cosas como porqué en la Luna "pesamos menos" o porqué cuando vamos en un vagón de metro de pie y este se para o se pone en marcha siempre (a no ser que nuestro equilibrio sea brillante) sufrimos un empuje que nos desplaza de nuestra posición inicial. Es decir, leer este tipo de libros no hace daño, sino que nos beneficia ya que llegamos a conocer un poco mejor el mundo en el que vivimos, aunque sean cosas muy simples o insignificantes y nosotras consideramos que a poco que se lea este tipo de libros, la gente se verá más cultivada. Y como siempre se dice, "el saber no ocupa lugar".

Modelo atómico de Thomson:

Este quemador de la vitrocerámica representa el átomo. En el hemos representado con Skittles los electrones repartidos por la superficie del átomo y los signos + en blanco representan protones que se encuentran dispersos.