Ensayos del Prototipo

Tenemos pendientes las fotos del ensayo de prototipo de la presentación final.

Construcción del Prototipo

A continuación mostraremos fotos del trabajo de construcción del prototipo:

Pepe marcando los orificios para perforar.

Pepe perforando orificios de 10mm de diámetro en la madera.

Lijando para disminuir el roce y marcar definitivamente las formas.

Cortando el bidón para formar el estanque principal.



Tomando medidas.


Agregándole barniz para disminuir las pérdidas por fricción.

Estanque mirado por abajo con los tres orificios de igual área.

Cumplimiento de Requisitos

Al inicio del semestre cuando se nos presentó el proyecto, se exigieron ciertos requisitos a cumplir al momento de la construcción del prototipo. Para ello tuvimos que enfrentar retos y dificultades para concordar con lo pedido.

Ahora, ya con la idea definida y los materiales establecidos, podemos decir que todo fue hecho de acuerdo con las reglas.

A continuación, haremos una revisión de todos los puntos que se tomaron en cuenta:

• Presupuesto restringido a $20.000: Después de buscar distintas opciones y el lugar más económico, elegimos nuestros materiales, de acuerdo a sus respectivos precios y pudimos establecer un precio total inferior al exigido inicialmente.

• Prototipo didáctico: Con el experimento podemos mostrar una propiedad de los fluídos de manera clara e interesante para el usuario, la cual no está expuesta en el MIM. Además, por tratarse de un fenómeno no muy intuitivo, resulta como un medio de aprendizaje.

• Prototipo autónomo: Lo que buscamos en este punto fue construir algo que no implicara un riesgo para los usuarios ni que requiriera de terceras personas para su funcionamiento.
  

Materiales y Precios

A continuación se presentan los materiales utilizados para la construcción del prototipo, junto con su precio, estos los averiguamos cotizando en diferentes ferreterías, mercados, etc.

Bidón de plástico 20 lts.
$4.690



Madera con Melamina
$ 1.000

Lija para Madera
$ 500


Silicona con Pistola
$3.580


Caja de Poxilina
$2.890


3 Bidones de agua 5 lts.
$2.880

6 Codos de PVC
$876

2 Tubos de PVC
$940

1 Poliprop

$630

Teoría y Modelación Matemática

Los distintos tipos de orificio inciden en diferente medida en los fluidos, pero se relacionan directamente con la Velocidad y Área de salida del flujo e indirectamente con el caudal.

Primero, nos centraremos en los efectos que se presentan en el ÁREA:

El área transversal del chorro no necesariamente coincide con el orificio de salida, debido a la dificultad que tienen los elementos de fluidos de girar bruscamente en las cercanías de la abertura. Esto queda representado por:

A0 = Cc*A

donde Cc es un coeficiente de contracción que dependerá de la forma geométrica del orificio, A el área geométrica original y A0, el área real de salida del chorro.

Ahora, viendo la VELOCIDAD:

La velocidad también varía, ya que la velocidad media en la sección contraída no tiene porque ser igual a la velocidad del eje antes de la salida. Esto queda plasmado en:

V0 = Cv*V

donde Cv es el coeficiente de velocidades, V es la velocidad antes de la salida y V0 es la velocidad media del chorro.

Con lo visto anteriormente podemos analizar el caudal, que puede expresarse como:

Q= Cv*Cc*A*V

Idea Final y Diseño

Después de las pertinentes averiguaciones para cada una de nuestras posibles ideas finales, hemos decidido que ninguna sería factible de acuerdo a nuestras posibilidades y restricciones del problema. Esto debido a que las ideas superaban el presupuesto limite ($20.000), de difícil construcción o no enseñaban Mecánica de Fluídos de manera entretenida y interactiva.

Por lo anteriormente nombrado, nos hemos decidido por una nueva idea basada en el flujo de agua a través de distintos tipos de orificio. Esta se basa en un estanque principal, el cual posee tres orificios de vaciado, de igual sección, pero que en su salida cada una posee un orificio distinto, por el cual depositan el agua a otro estanque.


Estos tres agujeros tienen la siguientes formas:

Orificio Simple

Orificio Corto

Orificio Tobera

La finalidad de este prototipo es mostrar como influyen los orificios de salida en el transporte de agua, comparando estos tres y mostrando sus diferencias. Básicamente, nos centraremos en la influencia del orificio en el caudal, midiendo la cantidad de volumen de agua acumulada por cada manguera en su respectivo recipiente de llenado. Además, podremos dar a conocer los diferentes usos de cada uno y mostrar algo que en la cotidianeidad no se puede observar a simple vista.

Visita al MIM

Acá van las fotos del MIM que teníamos pendientes.

Pepe dentro de una burbuja


Camilo viendo como varían las presiones con la altura del agua

Pepe viendo la viscosidad

Calendario de Trabajo (Carta Gantt) - Planificación General

"Carta Gantt"

"Planificación General"

Haga Click sobre las imágenes para agrandarlas.

Metodología o Proceso de Diseño

*En primera instancia establecimos 5 etapas GENERALES a concretar para llevar a cabo el desafío:

-Definición Desafío, Objetivos y Metas.

-Búsqueda Información, BrainStorming y Repartición de Tareas.

-Nuevas Ideas Posibles, Escoger 4 Posibles Diseños, Metodología o Proceso de Diseño y Calendario de Trabajo (Carta Gantt).

-Cotización de Materiales, Construcción del Diseño, Modelación Numérica.

-Ensayos del Prototipo, Posibles Mejoras (Según resultados vistos en los ensayos) y Presentación Final. 

*Luego, establecimos una Metodología o Proceso de Diseño en DETALLE para poder concretarlas. Ésta consta de 5 etapas:

1) DEFINIR EL PROBLEMA:

Se quiere construir un prototipo que muestre, de manera lúdica y educativa, algún fenómeno de la Mecánica de Fluidos, con posibilidad de ser presentado en el MIM. Éste tiene ciertas reglas y restricciones a considerar.

2) IDENTIFICAR NECESIDADES DEL PÚBLICO AL QUE VA DIRIGIDO:

Se organiza una visita al MIM para entender en terreno los elementos a considerar en nuestro proyecto. Ya que la mayor afluencia de público que recibe el MIM son los niños de Enseñanza Básica y Media, se identifican las siguientes necesidades:

• Prototipo interesante a la vista y a la interacción.
  
• Seguro.
  

3) IDENTIFICACIÓN DE PROCESOS:

a)Estratégicos: 

•  Que el precio de los materiales no supere los $20.000.
  
• Que no presente riesgo para las personas que lo manipulan.
  
• Que sea educativo.
  
• De fácil implementación.
  
• Que no requiera de estudios especializados en el tema para la construcción del dispositivo.
  

b)Claves:

• Análisis de las necesidades: De acuerdo a las necesidades identificadas anteriormente, se quiere lograr la construcción de un prototipo seguro, educativo, interactivo y didáctico.
  
• Búsqueda de información sobre fenómenos o temas interesantes de discutir según el análisis hecho previamente.
  
• Elaboración y Análisis de Propuestas: Creativas, simples y didácticas. Se realizará un “BrainStorming” para contar con algunos temas tentativos. Luego se analizarán todas las ideas a grandes rasgos y se escogerán 4 temas para poder analizar y proponer un diseño más en detalle indicando ventajas y desventajas de los modelo seleccionados. Por último, se escogerá un diseño y se continuará con el proceso constructivo.

-Asignación de Procesos Claves a los integrantes del grupo:

Un punto importante para concretar el proyecto es el trabajo en equipo. Para el diseño y construcción del prototipo será primordial una organización dentro del grupo que permita el avance de la mejor manera posible y así poder responder de manera eficiente a los plazos acordados. Por esto se realizó una repartición de tareas que considera los tiempos y capacidades de cada uno.

-Desarrollo de las instrucciones de trabajo asignadas a cada integrante.

c)De Soporte:

• Compra de Materiales: Cotizar y comprar los materiales necesarios para construir el prototipo seleccionado.
  
• Actualización del BLOG.
  
• Reuniones semanales para ir concretando semana a semana los desafíos. 

4) PLAN DE ANÁLISIS DE DATOS:

• Desarrollo de los criterios que importa evaluar en el tema que se escogió.
  
• Diseñar un calendario de recolección de datos necesarios para modelar teóricamente el diseño seleccionado. Que establezca metas a corto plazo.
  
• Recolección y codificación de los datos obtenidos para un análisis posterior. Por ejemplo, recopilar información del principio (de la Mecánica de Fluidos) aplicado al diseño seleccionado. Modelar numéricamente el fenómeno esperado con su respectivo margen de error. Entender y arreglar (en el papel) posibles inquietudes.
  

5) CONSTRUCCIÓN, ANÁLISIS Y MEJORAS:

• Construir el dispositivo, realizar ensayos y analizar su comportamiento de acuerdo a lo esperado teóricamente. Establecer posibles fuentes de error y formular mejoras.
  
• Por último, presentarlo en la competencia.
  

Calendario de Actividades (3)

-Con Fecha 11 de Mayo - 2009:

NOS REUNIMOS PARA ESCOGER 4 TEMAS "POSIBLES" SEGÚN LOS ANÁLISIS HECHOS ANTERIORMENTE.

-Con Fecha 14 de Mayo - 2009:

DESARROLLAMOS UN DISEÑO MÁS ESPECÍFICO PARA CADA UNO DE LOS 4 TEMAS SELECCIONADOS. 

-Con Fecha 20 de Mayo - 2009:
NOS REUNIMOS PARA DEFINIR UNA METODOLOGÍA O PROCESO DE DISEÑO.SE ESTABLECIÓ UN CALENDARIO DE TRABAJO QUE PERMITA CONCRETAR EL PROYECTO EN BASE A LOS OBJETIVOS PLANTEADOS Y A LA REPARTICIÓN DE TAREAS QUE CADA UNO TIENE DENTRO DEL GRUPO (Carta Gantt).

Diseño Más Específico De Los 4 Temas Posibles

Analizamos las ideas presentadas anteriormente para estimar si son viables en términos de tiempo, dinero y objetivos del proyecto. Nuestras mayores exigencias para el descarte fueron las características de que sea un proyecto de interacción con el público. No es solo MIRAR, si no que INTERACTUAR y ser parte del fenómeno observado. Y que sea un diseño SEGURO para quién se enfrente a él. Por el hecho de que al MIM asiste una gran cantidad de público "niño-adolescente" el diseño debe ser seguro para un niño que interactúe solo, sin la necesidad de estar con un adulto presente.

Evaluamos nuestras opciones y fuimos descartando alternativas del BrainStorming por efectos de complejidad y alto costo en el diseño, así como, proyectos ya expuestos en el MIM y proyectos poco didácticos; redujimos nuestras alternativas a solo cuatro, las cuales a continuación se explicarán mas detalladamente.

Experimento 1: 

Aparato que demuestre la velocidad generada por el efecto de la gravedad en un tanque ubicado en un punto alto, haciendo circular el fluido por medio de una manguera, de modo que el espectador pueda manipularla y experimentar, proyectando el chorro final a un remolino simple. En este experimento el principio que se demuestra es la conservación de la energía cinética en un fluido y la capacidad de convertirla en trabajo. 

Ventajas: 

• Ayuda a la comprensión de la generación de energía hidráulica.
• Resulta didáctico y entretenido para un niño, manipular la posición de la manguera.

Desventajas:

• Requiere el llenado continuo del tanque.
• Puede resultar un desperdicio de agua. 

Experimento 2: 

Construcción de una prensa hidráulica mediante un sistema de 2 pistones hidráulicos (uno de mayor tamaño que el otro) unidos por medio de un tubo de PVC, donde se demuestre que por desplazamiento de volumen se puede levantar un peso grande con poca fuerza. En este caso se demuestra el Principio de Pascal, estableciendo que la presión en los dos pistones tiene que ser la misma, contrarrestando el esfuerzo de la fuerza aplicada con la elevación del segundo pistón.

Ventajas:

• Fácil comprensión del principio aplicado.
• Interactivo con el usuario.

Desventajas:

• Construcción del prototipo complicada por posibles fugas.
• Podría resultar aburrido para los niños. 

Experimento 3:

Hacer subir un globo aerostático a escala, utilizando el aire caliente despedido por una secadora de cabello a lo largo de un túnel delimitado para evitar desvíos en trayectoria. En este experimento los niños podrán hacer la comparación de las densidades del aire frío y caliente haciendo subir un globo distintas temperaturas del aire expelido por la secadora. 

Ventajas:

• Experimento muy motivador para un niño al ver elevarse un globo por su propia mano.
• Llamativo a la vista.

Desventajas:

• Material a utilizar caro.
• Funcionamiento variable según la ocasión. 

Experimento 4:

Construcción de una “Lámpara de Lava” a base un tubo transparente con una base que permita la transferencia de calor de un foco hacia el fluido, posteriormente llenaremos un cuarto del tubo con una mezcla de aceite vegetal coloreado, agregando alcohol de 70º para que el aceite flote y alcohol de 96º para que el aceite se hunda. De este modo, aplicando calor con el foco, se formaran corrientes dentro del tubo y podremos ver como circula nuestra “lava”. En este experimento el niño podrá conocer el funcionamiento de este famoso invento, introduciéndolo un poco al estudio de las distintas densidades de los fluidos y lo que pasa al tener una fuente de calor. 

Ventajas:

• Entretenido a la vista.
  
• Principios aplicados pueden generar un gran interés en el tema por parte del espectador.

Desventajas:

• La lámpara puede resultar frágil e inestable, por consiguiente riesgoso para el usuario.
• Se tienen que efectuar bastantes pruebas para optimizar su funcionamiento.
  

Nuevas Propuestas de Diseño

-COMPORTAMIENTO DE FLUIDOS NO NEWTONIANOS. Como la viscosidad de estos fluidos es variable, podremos observar cómo cambia la viscocidad a medida que aplicamos una fuerza externa sobre él. Por ejemplo, es muy interesantes el caso del Almidón de Maíz (Maizena) diluído en agua, donde se observa que al ejercer presión sobre éste aumenta su viscosidad (REOPÉCTIDA); pero si se deja en reposo, vuelve a su estado líquido.

-SISTEMA HIDRÁULICO GENERADOR DE ENERGÍA. Sistema surtidor común al que se le agrega una turbina en la parte baja, así, al aprovechar el chorro descendiente podremos generar energía, como por ejemplo, para prender una ampolleta.

-CREACIÓN DE "LÁMPARAS DE LAVA". Observar COMO SE COMPORTA un fluido creado a base de fluidos de distintas densidades frente al estímulo de un resorte embebido (preferentemente con base de cobre ya que es mejor conductor del calor) que se calienta. 

-ANÁLISIS Y COMPRENSIÓN DE LAS BURBUJAS. Reflejo de los colores por su condición de "prisma". Comportamiento a lo largo de su "tiempo de vida" donde se mostrará que su objetivo es volverse esféricas. Y la interacción de la burbuja con la mano seca de alguien del público para notar que, por su característica de ser húmeda, cualquier cuerpo seco en contacto hará que ésta desaparezca; y por el contrario, una mano húmeda podrá atravesar la burbuja sin que esta se desvanezca.

-FABRICAR UN FERROFLUIDO Y APLICARLE UN CAMPO MAGNÉTICO (Por Ejemplo, con un imán) PARA OBSERVAR SU COMPORTAMIENTO. Utilizar aceite vegetal al que se le agregan partículas ferromagnéticas, como por ejmplo, limaduras de hierro y probar las distintas formas que puede adoptar el fluido debido al campo magnético aplicado.

Calendario de Actividades (2)

-Con Fecha 7 de Mayo - 2009:

NOS REUNIMOS PARA DAR A CONOCER NUEVOS TEMAS INTERESANTES DE DISEÑAR Y EJECUTAR.

LUEGO ANALIZAMOS A GRANDES RASGOS TODAS LAS IDEAS PRESENTADAS PARA REDUCIR LAS OPCIONES Y LUEGO PODER ESCOJER LA MEJOR PROPUESTA VÍABLE EN TÉRMINOS DE INTERACCIÓN CON EL PÚBLICO QUE VISITA EL MIM Y LOS OBJETIVOS PROPUESTOS (Por ejemplo, que se pueda realizar en el tiempo estipulado y que alcance de acuerdo al dinero disponible).

BIENVENIDOS

Bienvenidos al BLOG del Grupo 61 del curso MECÁNICA DE FLUIDOS de la Escuela de Ingeniería (ICH1102). 

Somos un grupo de 3 integrantes de Ingeniería Civil de la Pontificia Universidad Católica de Chile.

Este semestre tenemos el desafío de diseñar y construir un prototipo EDUCATIVO relacionado con la Mecánica de Fluidos.  El objetivo de este BLOG es dar a conocer el avance que llevamos en el proyecto. Actualizaremos periódicamente con fotos, videos y otros; y así podrán estar al tanto de las etapas que hemos concretado con nuestros éxitos y fracasos. Además de poder saber un poco más de nosotros y de cómo hemos debido organizarnos para enfrentar el desafío de la mejor manera.

¿Qué es el MIM?

MIM: Museo Interactivo Mirador

MISIÓN:

-Ser un espacio educativo, lúdico e interactivo, que permita a nuestros visitantes vivir una experiencia singular con las ciencias, las artes y la tecnología. Entretención - educativa

OBJETIVOS

-Incentivar la capacidad de asombro, motivando la curiosidad, la creatividad y la imaginación para comprender, experimentar y descubrir el mundo que nos rodea.

-Desarrollar la educación interactiva, conjugando la emoción y la razón, para lograr aprendizajes significativos.

PROPUESTA EDUCATIVA

-Marco teórico de tipo referencial (aunque con énfasis en los enfoques constructivistas) y con un carácter innovador y flexible.

-Propuesta educativa posicionada en el contexto de la educación no formal.

-Válida como Ejes de Enseñanza el “aprendizaje significativo” la “interactividad”, el “aprender haciendo”, la “motivación” y la “mediación”.

EN SÍNTESIS

El Proyecto Educativo del MIM, define a este Museo como un espacio educativo de carácter no formal, y donde el aprendizaje ocurre esencialmente a través de la experimentación personal.

FOTOS SALA DE FLUIDOS:

"BURBUJA GIGANTE"

"REMOLINO DE AGUA"

"TÚNEL DE VIENTO"

Calendario de Actividades (1)

-Con Fecha 9 de Abril - 2009:

VISITAMOS EL MIM PARA ENTENDER EN TERRENO EL ENFOQUE QUE DEBEMOS DARLE AL PROYECTO.

-Con Fecha 9, 16 y 23 de Abril - 2009:

NOS HEMOS REUNIDO CADA JUEVES, A PARTIR DEL 9 DE ABRIL, PARA CONOCERNOS, HACER UNA LLUVIA DE IDEAS POSIBLES Y PROPONERNOS METAS A LO LARGO DEL SEMESTRE.

BrainStorming

    Según el enfoque que debemos darle al proyecto hemos pensado en varias ideas posibles en donde se pueden observar diversos procesos INTERESANTES, EDUCATIVOS e INTERACTIVOS. He aquí nuestras ideas:

(1) Demostración de diferentes condiciones de equilibrio de cuerpos parcialmente sumergidos, con modelos de distintos barcos a escala, jugando con la posición de sus centros de carena y de gravedad, según cantidad y ubicación de peso.

(2) Cálculo de la fuerza de empuje que tiene un cuerpo sumergido: Consiste en diseñar un dispositivo que sumerge una pelota y posteriormente la suelta; así se puede ver que altura alcanza según la profundidad y la cantidad de aire dentro de la pelota.

(3) Aparato que demuestre la presión generada por el efecto de la gravedad en un tanque ubicado en un punto alto, haciendo circular el fluido por medio de espirales, subidas y bajadas para que sea entretenido para el espectador.

(4) Sistema de pistones hidráulicos donde se demueste que por desplazamiento de volumen se puede levantar un peso de mayor volumen con poca fuerza.

F1/A1 = F2/A2

(5) Túnel de viento para analizar comportamiento aerodinámico de distintos automóviles a escala, por medio de hilos volando en el túnel.

(6) Comparación de las densidades del aire frío y caliente haciendo subir un globo aeroestático en un túnel a distintas temperaturas de aire con una secadora de cabello.

(7) Creación de anillos de humo o agua por medio de vórtices.

(8) Demostración del aprovechamiento de Energía Hidráulica arrojando agua a presión para hacer mover un eje con "martillitos" en un instrumento musical de percusión llamado Metalofón. Éste provoca un sonido tremolar conocido gracias al grupo cómico-musical "Les Luthiers" como "La Desafinaducha".

Desafío: Objetivos y Metas

    El desafío de este proyecto es diseñar y construir un prototipo educativo relacionado con la Mecánica de Fluídos. Este tiene la posibilidad de exhibirse en el MIM, por lo tanto debe ser algo interactivo y seguro, debido a que la mayoría del público asistente es menor de edad.

OBJETIVOS Y METAS

El principal motivo de este proyecto es enseñar el comportamiento de los fluídos de manera personalizada, por lo tanto deberemos diseñar un dispositivo que se enfrente con todas las dificultades que implica el uso de este por parte de otra persona. Para ello, tendremos que usar nuestras aptitudes como futuros ingenieros en el desarrollo de este, tomando las medidas y el resguardo correspondientes.

Además, este dispositivo tendrá que enseñar alguna característica del fluido, por lo que deberá a la vez ser algo entretenido e informativo. Todas estas cualidades serán evaluadas, de tal manera de encontrar la que sea más adecuada para nuestro caso.

La idea y construcción del prototipo conllevará a trabajar en equipo, que es lo primordial en cualquier tipo de ingeniería para poder llevar a cabo un proyecto de la mejor manera posible, detectando nuestros errores y corrigiéndolos en conjunto.

Para finalizar, tendremos que diseñar y escoger la mejor de todas las opciones, con el fin de lograr un equilibrio entre todas las facultades y restricciones, teniendo en cuenta que nuestra principal restricción es el dinero(como en todo proyecto).

Repartición de Tareas

       De acuerdo a nuestras capacidades y tiempo que tendremos durante el semestre, hemos determinado la actividad que cada uno desarrollará en el proyecto. Sin embargo, al ser un grupo de 3 integrantes tendremos más responsabilidades y gestionar COMO GRUPO la mayoría de las etapas.

ADMINISTRADOR BLOG (Encargado de las entregas, actualizar el BLOG, etc) - Pepe

TESORERO (Encargada de reunir y administrar los fondos para llevar a cabo el proyecto con su respectivo respaldo de los gastos) - Ma. Jesús

COORDINADORES DE INVESTIGACIÓN (Lluvia de ideas, Investigación y Análisis de éstas) - Todos

DISEÑO Y DESARROLLO DEL PROTOTIPO (Planificación y Gestión. Control de Calidad) - Todos

EVALUACIONES (Encargado de entregar en su debido tiempo y presentar la: Revisión BLOG, Informes y Competencia Final) - Todos

¿Quiénes somos?

MARÍA JESÚS GALLEGUILLOS ESTAY
mjgalleg@uc.cl
Ingeniería Civil c/Diploma Académico en Ingeniería y Gestión de la Construcción









JOSÉ PABLO GARNICA RODRÍGUEZ
jpgarnic@uc.cl
Ingeniería Civil Mecánica











CAMILO CRISTÓBAL VARGAS BATLLE
ccvargas@uc.cl
Ingeniería Civil de Industrias c/Diploma Académico en Ingeniería de Minería