PROYECTO DE APRENDIZAJE

“CONSTRUCCION DE UNA EXCAVADORA HIDRAULICA”

I. IDENTIFICACIÓN DEL PROYECTO1.1. Título Del Proyecto : Construcción De Una Excavadora Hidráulica1.2. Institución Educativa: N° 50738 Chamancalla1.3. Grado/Sección : Quinto Grado/A1.4. Nivel : Secundaria1.5. Docente : Jaime Vergara

II. FUNDAMENTACIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO El aprendizaje basado en proyectos es una estrategia didáctica que es consistente

con la orientación de la enseñanza aprendizaje como investigación, con él se propone desarrollar en los estudiantes, habilidades relacionadas con el aprendizaje de las ciencias, así como de su metodología. El desarrollo de proyectos se plantea a partir de un contexto problematizador asociado con alguna temática de la disciplina que se desea estudiar, tal es el caso del presente proyecto donde se consideran la hidrostática, la hidrodinámica, y más que todo el principio de pascal.

Una excavadora hidráulica básicamente se puede construir con los elementos reciclables que podemos encontrar en la naturaleza.

El desarrollo del proyecto implica que los profesores jueguen el papel equivalente a los alumnos y es con ellos que se aplicará esta estrategia.

Las maquinas hidráulicas en general son temas verdaderamente atractivo para los estudiantes. El funcionamiento de las maquinas pueden despertar y desarrollar su curiosidad, ampliando los horizontes de su aprendizaje y experiencia más allá de la ciencia.En el proceso de poner en práctica su ingenio y lograr sus objetivos, adquirirán la habilidad para resolver problemas. Además, pueden experimentar un gran sentido de logro y satisfacción.

III. OBJETIVOS Los objetivos generales que se desarrollaran a lo largo de este proyecto serán los

siguientes: Interés, actitud positiva: Interés o curiosidad por elementos y fenómenos

encontrados en la vida cotidiana. Pensamiento científico: Descubrir la relación entre teoría y práctica. Aplicar a la vida real los conceptos científicos de la física.

IV. COMPETENCIAS.

COMPETENCIAS INDICADORES Comprender las características

científicas del agua, aire y otras materias que damos por sentado en nuestra vida cotidiana.

Comprender la diferencia entre cosas hechas por la naturaleza y

Interés o curiosidad por elementos y fenómenos encontrados en la vida cotidiana

Experimentar la importancia del trabajo en equipo y de la responsabilidad individual como miembro de un equipo

las artificiales Comprender que las metas se

logran mediante la cooperación entre científicos e ingenieros.

Conocer los principios básicos de la hidrostática así como el principio de Pascal.

Estudiar los principios básicos de la hidrodinámica

Conceptos básicos sobre la mecánica de fluidos.

Aplica de manera óptima los principios físicos en el diseño y construcción.

Aprecia la utilidad de las herramientas Adquiere destrezas y modos de usar

herramientas de manera apropiada y segura.

Adquiere habilidad para pasar del diseño a la realidad.

Adquiere habilidad para predecir y verificar resultados

Apreciar la importancia de intercambiar información y cooperar entre compañeros.

V. CONOCIMIENTOS Y DESTREZAS PREVIAS DEL ESTUDIANTE.

CONCEPTUALES PROCEDIMENTALES

ACTITUDINALES

Estática de fluidos Dinámica de

fluidos.

Resuelve problemas básicos relacionados a los contenidos conceptuales

Comprende la gran utilidad de la Física y entiende que el desarrollo de la civilización está íntimamente ligado al de la ciencia y la Tecnología.

VI. DESARROLLO DEL PROYECTO.

Este proyecto consta de las siguientes etapas, las mismas que encierran una serie de actividades que se llevarán a cabo en forma grupal, propiciando el aprendizaje participativo.

A. PRIMERA ETAPA. (desarrollo de los contenidos teóricos)

Desarrollo de la teoría necesaria (conocimientos previos) que el alumno debe comprender para realizar el proyecto

Estudio detallado sobre la hidrostática, poniendo énfasis sobre el principio de Pascal.

Conocimiento básico sobre la hidrodinámica.

B. SEGUNDA ETAPA. (diseño y construcción).

Entrega de una cartilla informativa para la construcción del proyecto. Diseño y Construcción utilizando materiales caseros, en clase. Presentación inicial de los modelos para las observaciones y correcciones

necesarias. Posteriormente se expone todo sobre el proyecto

C. CUARTA ETAPA. (Elaboración de un informe)

Cada equipo de trabajo presentará un informe con los siguientes puntos: Carátula. Introducción (¿De qué se trata el trabajo?) Objetivos (¿Qué se quiere lograr?) Marco teórico (¿Qué conocimientos se necesitan?) Desarrollo y proceso (Construcción de la excavadora hidráulica, toma de

medidas, presentación de tablas, etc.) Cálculos y resultados Aplicaciones (Elaboración y resolución de tres problemas físicos de nivel

básico, intermedio y avanzado con los datos obtenidos) Conclusiones y comentarios( logros, dificultades, impresiones)

D. RECURSOS Y MATERIALES. Presentaciones en power point Papelotes y plumones Reproductor de DVD. Cañón multimedia Materiales para la construcción de la excavadora. Apuntes sobre la

mecánica de fluidos y otros temas relacionados Calculadoras científicas Y otros.

VII. EVALUACIÓN

La Evaluación se contempla como un proceso permanente y continuo durante el desarrollo del proyecto, con la utilización de instrumentos que evaluarán los siguientes aspectos:

Participación activa de los alumnos Niveles de logro El producto final (construcción de la excavadora)

Los criterios de evaluación en la que se evaluará este proyecto son: comprensión de conceptos, estrategia operativa, aplicación y resolución de problemas en un contexto real.Asimismo se propiciará la autoevaluación, la coevaluación y la heteroevaluación de los alumnos.

VIII. DIFUSIÓN Y PROYECCIONES

Difusión del proyecto al interior del Colegio, a través, de un boletín informativo. Exposición del proyecto a los padres de familia.

IX. BIBLIOGRAFIA

Wikipedia: http://www.wikipedia.org/wiki/brazohidraulico Algunos sitios de internet relacionados al tema(buscador: google) Textos básicos sobre la mecánica de fluidos y temas afines.

SOPORTE TEORICO DEL PROYECTO

Un cohete es básicamente una máquina voladora autopropulsada que se mueve siguiendo las leyes básicas de la física. La diferencia entre este y un avión radica fundamentalmente en que no se apoya en el medio para propulsarse, o sea que puede viajar en el vacío.En la fabricación de cohetes reales intervienen numerosos elementos tecnológicos, a saber:

Mecánica estructural e ingeniería de materiales: en la fabricación del fuselaje del cohete aéreo como cuerpo estructural.

Ingeniería de propulsión y combustión: en la fabricación del motor propulsor.

Aerodinámica: en la evaluación del impacto de las fuerzas aerodinámicas. Ingeniería de control: para estabilizar la posición de vuelo del cohete y el

guiado de los satélites a sus órbitas planificadas. Análisis de vuelo - para calcular el desempeño de vuelo del cohete,

evaluando así hasta qué punto puede ser guiado un satélite dentro de su órbita planificada.

Existen cuatro fuerzas básicas que predominan en el cohete:

El peso (weight) es la fuerza generada por la atracción gravitacional de la Tierra. Depende de la masa, pero en este caso como no la conserva durante todo el vuelo consideraremos la masa total sólo en el primer momento y aplicada en el centro de gravedad (CG).

El empuje (thrust) es la fuerza que impulsa hacia arriba y genera el movimiento principal del cohete. Se genera por la salida de masa desde un extremo a alta velocidad cumpliendo el principio de acción y reacción.

La sustentación aerodinámica (lift) se produce por la acción de las superficies de sustentación cuando el cohete se desplaza.

La resistencia aerodinámica (drag) es generada por el rozamiento del cuerpo del cohete con el aire, y se opone al movimiento vertical.

Se necesita una cantidad increíblemente grande de energía para que un cohete escape de la gravedad de la Tierra y llegue al espacio. Por lo tanto, el combustible forma la mayor parte del peso del cohete. Reforzar y alivianar los materiales estructurales, perfeccionar el rendimiento del propelente, y lograr un control para un rendimiento más preciso. . . serán siempre un reto para los ingenieros aeroespaciales.Al comienzo, la elaboración de “mecanismo de separación” resultó un desafío muy difícil. Al ensamblar un cohete multi-etapa se utiliza un mecanismo conocido como el “acople de separación” para conectar la primera y segunda etapas. Durante la primera etapa de combustión, después del lanzamiento, el acople de separación, que forma parte integrante del cohete, tiene que mantener sólidamente unidas la primera y la segunda etapas. Las etapas tienen que separarse sin falla en el momento en que la combustión de la primera etapa termina y se prepara la segunda etapa para la ignición. Actualmente se puede escoger en una variedad de mecanismos de separación, tales como dispositivos pirotécnicos, por lo que estos componentes fundamentales han ganado en confiabilidad. A pesar de ello, todos los participantes en el lanzamiento de cohetes permanecen siempre al borde de sus asientos desde el momento del lanzamiento hasta que el satélite artificial se ha separado con seguridad de la etapa final del cohete.

Los mismos conceptos se aplican a cohetes de agua. El fuselaje del cohete, su propulsión y aerodinámica (estabilidad de la posición de vuelo), son factores vitales que afectan el desempeño del vuelo (distancia, etc.). Es extremadamente peligroso aplicar una presión excesiva al cohete de agua intentando lograr un nuevo récord de distancia. Desde el punto de vista de la seguridad, es indispensable comprender las limitaciones de las botellas DESCARTABLES en términos de fuerza estructural y resistencia a la presión. Cuando se trata de cohetes de agua de etapas múltiples, la tarea de decidir cómo separar la primera etapa de la segunda y suministrar un chorro de agua ininterrumpido es un desafío para los nervios de los responsables. Se necesitarán mucha experiencia e ingenio para diseñar, construir y manejar con seguridad la separación y los mecanismos del chorro de agua de la segunda etapa.

PRINCIPIOS FISICOSLos principios que explican la propulsión de un cohete de agua son las leyes del movimiento de newton, poniendo énfasis en el tercer principio de la conservación de la cantidad de movimiento que es otra forma de llamar a la 3ª ley de Newton o principio de acción-reacción, ley de la conservación del Momentum y algunos principios de la mecánica de fluidos y la aerodinámica que mencionaremos en su momento.

Leyes o principios de Newton.

1. Primera ley de newton.2. Segunda ley de newton3. Tercera ley de newton

Primera ley de newton

Sir Isaac Newton presentó por primera vez sus tres leyes del movimiento de la "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica" en 1686. Su primera ley establece que cada objeto permanece en reposo o en movimiento uniforme en línea recta a menos que es obligado a cambiar su estado por la acción de una fuerza externa. Esto normalmente se toma como la definición de inercia. El punto clave aquí es que si no hay red de fuerza que actúa sobre un objeto (si todas las fuerzas externas se anulan entre sí), entonces el objeto mantiene una velocidad constante. Sí la velocidad es cero, entonces el objeto permanece en reposo. Si la velocidad no es cero, entonces el objeto mantiene la velocidad y viaja en línea recta. Si se aplica una fuerza externa neta, la velocidad cambia debido a la fuerza.

El despegue de un cohete desde la plataforma de lanzamiento es un buen ejemplo de este principio. Justo antes de la ignición del motor, la velocidad del cohete es cero y el cohete está en reposo. Si el cohete está sentado en sus aletas, el peso del cohete es equilibrada por la re-acción de la tierra para el peso como se describe por de Newton tercera ley de movimiento.

Segunda ley de Newton

La SEGUNDA LEY DE NEWTON determina que si se aplica una fuerza a un cuerpo, éste se acelera. La aceleración se produce en la misma dirección que la fuerza aplicada y es inversamente proporcional a la masa del cuerpo que se mueve. Si la masa de los cuerpos es constante, la fórmula que expresa la segunda ley de Newton es: fuerza = masa x aceleración.En cambio cuando la masa del cuerpo aumenta o disminuye (cohete), la aceleración disminuye o aumenta. Entonces, debes establecer la cantidad de movimiento (p) que equivale al producto de la masa de un cuerpo por su velocidad. Es decir: p = m x v.

Tercera ley de Newton

La tercera ley establece que por cada acción (fuerza) en la naturaleza hay una reacción igual y opuesta. En otras palabras, si el objeto A ejerce una fuerza sobre el objeto B, a

continuación, el objeto B también ejerce una fuerza igual y opuesta en el objeto A. Tenga en cuenta que las fuerzas se ejercen sobre diferentes objetos.

En la ingeniería aeroespacial, el principal de la acción y la reacción es muy importante. La tercera ley de Newton explica la generación de empuje de un motor espacial. En un motor de cohete, el gas de escape caliente se produce a través de la combustión de un combustible con un oxidante. Los flujos de gas de escape caliente a través del cohete boquilla y se acelera a la parte trasera del cohete. En re-acción, una fuerza de empuje se produce en el monte del motor. El empuje del cohete acelera según lo descrito por Newton segunda ley de movimiento.

Por ejemplo si se suelta un globo inflado, zumbará por todos lados expulsando aire. Se genera una fuerza que lo mueve hacia adelante en “reacción” al aire que está siendo expulsado hacia atrás (“acción”), causando de esta manera que el globo vuele. Esta fuerza reactiva es conocida como “propulsión” o “empuje”.

Un cohete de agua también vuela por medio de la propulsión a reacción. Vuela aprovechando una reacción resultante del agua que está siendo expulsada por el aire comprimido que transporta.Esto trata de explicar que los cohetes de agua como un ejemplo ampliado de acción y reacción, explicando que “un cohete de agua es propulsado hacia adelante por una fuerza de reacción generada por la liberación de aire comprimido dentro del cuerpo del cohete, que provoca la expulsión del agua a través de la boquilla.

}Ley de Conservación del MomentumMasa multiplicada por velocidad igual “momentum”. Se expresa mediante la ecuación:　 　　 Momentum=masa × velocidad

Cada objeto tiene propensión a mantener un momentum constante antes y después de un movimiento. Esto se conoce como la “Ley de Conservación del Momentum”. Aquí citaremos y aplicaremos esta ley para explicar la física de los cohetes. En aras de la simplicidad, presupondremos que un cohete en reposo tiene cierta masa: Masa = M + m, donde “M” es la masa del cuerpo del cohete y “m” es la masa del combustible. El cohete quema su combustible en un instante y expulsa gas hacia atrás con una masa “m” a una velocidad “Ve”. El valor “V” es la velocidad que ha adquirido el cohete mediante la expulsión del combustible (suponiendo que la resistencia del aire = 0).Como la velocidad del cohete antes de lanzar el combustible es 0, el momentum es por supuesto 0. El momentum del combustible “p” expulsado se expresa como p = m × (-Ve), y el momentum “P” del cohete que ha empezado a moverse debido a la fuerza de reacción se expresa como P = M × V. Así, el total de los dos momentum es: P + p = MV - mVe. Con esta ecuación, el símbolo‘menos’ en - mVe significa que la dirección del combustible expulsado es opuesta a la dirección hacia la cual se mueve el cohete.

Momentum antes del movimiento = momentum después del movimiento - momentum total del cohete y el momentum de expulsión del combustible. Esto se expresa como: O = MV - mVe.De esta ecuación, se deduce la siguiente: V = (m/M) Ve…… (A)En otras palabras, significa que el cohete se mueve hacia adelante para compensar el momentum del combustible que ha sido expulsado. De este modo, podemos concebir fácilmente el movimiento del cohete aplicando el concepto de momentum. Sin embargo, notará que con un cohete real el combustible se quema durante un período determinado de tiempo y no en un instante. Por lo tanto, la velocidad final del cohete es igual a la velocidad obtenida mediante la sumatoria sucesiva de la ecuación (A) anterior.Aerodinámica.Las fuerzas aerodinámicas que produce en su movimiento el cohete se pueden simplificar en dos: sustentación y arrastre.Para mejorar el vuelo, se debe producir la sustentación sin incrementar demasiado el arrastre. El Centro de Presiones (CP) es el lugar donde se concentran todas las fuerzas aerodinámicas normales que actúan sobre un modelo de cohete durante su vuelo. Es decir, es el punto donde actúa la “Fuerza Normal” resultante de todas las fuerzas de presión que ejerce el aire sobre la superficie del modelo. La ubicación de éste punto puede variar dependiendo de la forma del modelo. El Centro de gravedad (CG) es el lugar donde se concentra todo el peso del cohete. Es decir, hay tanto peso distribuido delante del CG del cohete, como detrás de él. La ubicación de éste punto varía durante el vuelo del modelo, ya que conforme el motor va consumiendo su propelente el reparto del peso en todo el modelo va cambiando.

El Margen de estabilidad de un cohete es la distancia existente entre el CP y el CG. Por convención, la distancia mínima para considerarla como Margen de estabilidad, es una separación entre el CP y el CG igual al mayor diámetro del cuerpo del cohete. A esta distancia mínima se la conoce como calibre.

CONSTRUCCIÓN DE COHETESEn su forma más simple, un cohete de agua es una botella a la cual se le introduce agua y se presuriza mediante un inflador o compresor, para luego ser liberada a través de un mecanismo. Pero para lograr una mejor performance, se debe mejorar el drag, poniendo alguna ojiva, estabilizar mediante aletas, poner un contrapeso en la punta y decorar. Por cuestiones de la disponibilidad adoptamos el modelo recomendado por el manual de la JAXA (Agencia Espacial Japonesa) y NASA (Agencia Espacial de U.S.A).

Materiales básicos                               

o Botella de plástico (2l o 1,5 l) (PET)             o Tapón de corcho o de goma              o inflador de bicicleta                             o Agua                                                  

o Aguja del inflador o canutillo de bolígrafoo Cartón (para hacer un cono)o Cartón (para alerones) 

o Pinturas de colores

Funcionamiento

1ª Fase: El llenado de "combustible"

El cohete va a funcionar utilizando como "combustible", el agua que propulsará el cohete, utilizando el principio de acción y reacción.

En nuestras pruebas la cantidad óptima será 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 tapar hermeticamente 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 de aire la botella con ayuda del compresor de bicicleta.

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 líquido es desplazado contra el suelo, de esta forma se realiza una fuerza contra el mismo a la que ya

describimos líneas más antes 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, 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 se puede 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

El agua sale hacia abajo impulsando los cohetes, y haciendo que estos salgan despedidos; en el momento en que salen su velocidad es máxima, de unos 20 m/s. Como dato es interesante reseñar que la velocidad a la que debe ir un cohete real para vencer el campo gravitatorio terrestre es de 11 km/s.

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 de 9,8 m/s²  que los va frenando hasta alcanzar una altura máxima, en este momento su velocidad es 0 m/s. A partir de este momento los cohetes comienzan a descender.