Cohete de agua

Lanzamiento de un cohete de agua

Un cohete de agua es prácticamente idéntico a un cohete espacial, salvo por que se propulsa gracias a la combinación agua-aire, contenido todo ello en una botella de plástico. Es un buen ejemplo ilustrativo del principio de acción-reacción, que propulsa también cualquier otro cohete (incluidos los auténticos).

El principio

El cohete de agua se basa en el conocido principio de acción-reacción. Es necesario expulsar materia violentamente de un espacio cerrado. Se debe expulsar en una cierta dirección. Esto produce el desplazamiento del «cohete» propiamente dicho (el espacio cerrado) en la misma dirección pero en sentido opuesto a la expulsión de la materia. Es fácil de comprender, la materia a expulsar en nuestro caso es el agua. El medio para expulsarlo es el aire bajo presión. El espacio cerrado es una botella de plástico.

Konstantin Tsiolkovsky imaginó la experiencia siguiente. Está sobre una barca, en medio de un lago, y no tiene ni motor, ni remos, ni vela... y ni siquiera puede remar con las manos. Pero no está solo, sus amigos están con usted (¿son verdaderamente amigos?...). ¿Cómo hacer para avanzar? Sírvase del principio de acción-reacción: si la barca expulsa algo (o alguien) entonces saldrá hacia el sentido opuesto al objeto expulsado. Le bastará entonces con lanzar toda la tripulación al agua, uno por uno, pero no de cualquier manera: en el sentido opuesto al movimiento deseado, y lo más rápidamente posible. ¡Se recomienda tirar a los más pesados, porque será más eficaz! Debido a esto, no basta únicamente expulsar el aire de la botella, sino que se tiene que expulsar una materia que tenga una masa voluminosa grande según la 3ª ley de Newton.

Tercera Ley de Newton o Ley de acción y reacción

• Por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, éste realiza una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma: Las fuerzas siempre se presentan en pares de igual magnitud, sentido opuesto y están situadas sobre la misma recta.

Esta es la forma fuerte de la tercera ley. Junto con las anteriores, permite enunciar los principios de conservación del momento lineal y del momento angular.El enunciado mas simple de esta ley es "para cada accion existe una reaccion igual y contraria" siempre y cuando este en equilibrio.

Ley de acción y reacción fuerte de las fuerzas

En la Ley de acción y reacción fuerte, las fuerzas, además de ser de la misma magnitud y opuestas, son colineales. La forma fuerte de la ley no se cumple siempre. En particular, la parte magnética de la fuerza de Lorentz que se ejercen dos partículas en movimiento no son iguales y de signo contrario. Esto puede verse por cómputo directo. Dadas dos partículas puntuales con cargas q₁ y q₂ y velocidades , la fuerza de la partícula 1 sobre la partícula 2 es:

donde d la distancia entre las dos partículas y es el vector director unitario que va de la partícula 1 a la 2. Análogamente, la fuerza de la partícula 2 sobre la partícula 1 es:

Empleando la identidad vectorial , puede verse que la primera fuerza está en el plano formado por y que la segunda fuerza está en el plano formado por y . Por tanto, estas fuerzas no siempre resultan estar sobre la misma línea, aunque son de igual magnitud.

Ley de acción y reacción débil

Como se explicó en la sección anterior ciertos sistemas magnéticos no cumplen el enunciado fuerte de esta ley (tampoco lo hacen las fuerzas eléctricas ejercidas entre una carga puntual y un dipolo). Sin embargo si se relajan algo las condiciones los anteriores sistemas sí cumplirían con otra formulación más débil o relajada de la ley de acción y reacción. En concreto los sistemas descritos que no cumplen la ley en su forma fuerte, si cumplen la ley de acción y reacción en su forma débil:

La acción y la reacción deben ser de la misma magnitud y sentido opuesto (aunque no necesariamente deben encontrarse sobre la misma línea)

Todas las fuerzas de la mecánica clásica y el electromagnetismo no relativista cumplen con la formulación débil, si además las fuerzas están sobre la misma línea entonces también cumplen con la formulación fuerte de la tercera ley de Newton.