Fenómenos físicos y construcción del cañón

Fenómenos físicos y construcción del cañón

Santiago Ruíz, Jaime Luís Azar, Nelson Hernández, Frankin Mendez Daria Arturo Gonzales.

Mayo 2018.

Universidad Pontificia Bolivariana, Bucaramanga, Colombia.

. Departamento de ciencias básicas.

Geometría y trigonometría.

Objetivos

1. Determinar los fenómenos físicos que ocurren en un sistema de acción-reacción, en este caso un cañón.

1. Determinar que variables cambian la trayectoria del objeto a impulsar por el cañón.

1. Observar cual es la relación de la velocidad con la fuerza y el ángulo de inclinación.

Introducción

El cañón a lo largo de su historia siempre ha tenido el fin de lanzar o disparar proyectiles a cierta velocidad, por ello, lo podemos encontrar de diferentes formas y tamaños, desde cañones con una punta relativamente corta, como las pistolas de hoy en día, así como cañones con una punta larga, como los que se usan en los buques de guerra, donde, el tamaño de la punta solo determina la precisión de este. Por esto, desde la antigüedad se han preguntado cómo lograr que la velocidad con la que se desplaza el proyectil aumente, Einstein nos dio la respuesta a este dilema con la tercera ley de newton que dice: “A toda fuerza llamada acción se opone otra igual llamada reacción con la misma dirección, pero en sentido contrario.” [1] Esto quiere decir que el proyectil irá más rápido si se le aplica una fuerza mayor que tenga la misma dirección a este en sentido contrario, pero ¿cómo se obtiene está fuerza? En China, 1132, se tienen registros que

ii

usaban la pólvora para así poder impulsar sus proyectiles, desde flechas hasta bombas de hierro, la pólvora daba la fuerza necesaria para poder impulsar los proyectiles, causando con esto mayor letalidad.[2] Pero es realmente necesaria una fuerza de tal magnitud para poder impulsar un proyectil, la respuesta es no, solo necesitamos una fuerza que sea suficiente para poder desplazar la masa del objeto, donde la distancia no solo dependerá de la fuerza si no también del ángulo de elevación del cañón, para esto unos resortes serán más que suficientes. Una masa sujeta a un resorte describe un movimiento periódico donde, gracias a sus características, tiene una fuerza restauradora que es proporcional a su desplazamiento, este es conocido como el movimiento armónico simple, y para calcular este se tiene en cuenta la ley de Hooke.[3] Ahora, para poder aplicar esto a un proyectil se debe transferir la fuerza que genera la masa a el proyectil en cuestión, para ello nos basamos en la ley fundamental de la mecánica de Newton, con esto el proyectil saldrá disparado con cierta velocidad, esta velocidad se puede obtener a partir del impulso lineal y la ley de conservación de un partícula.[4]

Una vez que determinemos la fuerza en cuestión, sabemos que el ángulo de inclinación del cañón va a influir en gran medida en la dirección que tome el objeto, es muy probable que el recorrido que de este sea una parábola, por ello, con la velocidad inicial del objeto y el ángulo de elevación se puede determinar el lugar exacto en donde caerá el objeto, para esto, al ser una parábola se relaciona con las funciones trigonométricas y a partir de ciertas fórmulas podemos hallar el lugar exacto de caída del objeto.[5]

Con toda esta información, a continuación, se puede construir un cañón casero donde se apliquen los principios físicos y, a partir de las funciones trigonométricas, disparar un balín al lugar que se nos plazca.

Historia del cañón

iii

El cañón ha sido un arma muy usada a lo largo de la historia de la humanidad, esto principalmente por su sencillez. Este instrumento se dice que se remonta a 1132 con el general Han Shizhong de la Dinastía Song conquistando la ciudad de Fujian con instrumentos impulsados por pólvora, hasta que se reemplazará con las armas de asedio. [6] Además, varios historiadores afirman que las primeras piezas fueron hechas de bambú, para posteriormente pasar al metal. Pero no es hasta 1326 que el cañón se forma totalmente, en palabra de Joseph Needham: “Los largos preparativos y los experimentos vacilantes se llevaron a cabo en China, y todo llegó al islam y Occidente desarrollado por completo, ya fuera la lanza de fuego o la bomba explosiva, el cohete o la pistola con cañón metálico y la bombarda” esto quiere decir que los experimentos realizados con pólvora, sus combinaciones, se dieron y perfeccionaron en China para así expandirse a Occidente, el cañón en este tiempo disparaba proyectiles como flechas y objetos metálicos. [7] En este año la forma del cañón era una especie de vaso, y la primera ilustración de esta arma data en este periodo, pero no fue hasta 1350 que la forma de este se empezó a parecer a el típico tubo cóncavo de hierro montado en soportes de madera. [8] En 1380 los cañones, que lanzaban bolas de cañón, empezaron a armarse con ruedas que les permitía mayor movimiento [9] y, hacia finales del siglo XV, los cañones con ruedas empezaron a ser comunes, con la diferencia que en este periodo su material era el bronce y no el hierro. Algunos reyes de escocia (1460) se interesaron por los cañones hasta el punto de que cada cañón tenía su propio operario y equipo de “zapadores” que se encargaban de nivelar el terreno, aunque a pesar del interés no se realizó ningún intento por estandarizar el calibre, recordemos que en ese periodo los cañones eran armas de retrocarga. [10] Al iniciar la primera guerra mundial (1914-1918) el cañón de Krupp ganó mucha popularidad principalmente por sus características en las cuales destacaba la cadencia de tiro de 6-10 disparos por minuto, su estructura de acero, el calibre de 75

iv

1. y el peso de este comparado con los otros modelos, solo se necesitaban cuatro caballos para transportarlo. [11] Un aspecto a parte por destacar es que estructural y funcionalmente el cañón se ha mantenido igual alrededor de los siglos, no es hasta la llegada del tanque que vemos un cambio sustancial. Se le puede atribuir el nacimiento del tanque al coronel británico Ernest Swinton, que al ver un tractor llevar un cañón tuvo la brillante idea de unir estos, y con la ayuda de Churchill se realizaron los primeros prototipos que a pesar de sus defectos infundían terror en las tropas enemigas. También se instalaron cañones en los navíos posterior a esta invención. [12] En la actualidad el cañón aún se emplea en la mayoría de nuestras armas y muy probablemente se mantenga así, por su diseño y funcionamiento sencillo se ha convertido en un referente en la historia armamentística y se proyecta a mucho más con el cañón de gauss, que es un tipo de cañón que usa una sucesión de electroimanes para acelerar, por medio del magnetismo, un proyectil llegando a velocidades de 6840 km/h. [13]

Marco Teórico

Encontramos gran variedad de fenómenos físicos que rodean al cañón como: las leyes de newton, en este caso la primera ley de newton que nos dice que todo cuerpo permanece en su estado actual de movimiento con velocidad uniforme a menos que sobre él actúe una fuerza externa, la segunda ley dice que la aceleración que toma un cuerpo es proporcional a la fuerza externa que se le aplica, esta se representa por fuerza igual a masa por aceleración, y la tercera ley habla que “si un cuerpo A ejerce, por la causa que sea, una fuerza F sobre otro B, este otro cuerpo B ejercerá sobre A una fuerza igual en módulo y dirección, pero de sentido contrario.” [14]

...