Cumplimiento de las Condiciones de Diseño

Ya en la etapa final de nuestro proyecto es necesario revisar si han cumplido con las condiciones de diseño que fueron establecidas a comienzos de semestre.

Viendo nuestros costos vemos que nuestro dispositivo cumple perfectamente con la condición de no superar los $20.000 para su construcción, es mas sobra para preocuparnos ahora de mejorar su estética.

Nuestro dispositivo esta construido en su mayoría de madera, material muy fuerte y resistente, solo tiene una plancha de vidrio pero que va pegada encima de una plancha de madera por lo cual no será frágil y si llegase a romperse por cualquier motivo no se dispersaran los vidrios, por lo tanto nuestro prototipo es muy seguro y resistente.

El prototipo es de fácil manipulación tan solo hay que retirar un tapón para que este funcione, por lo que es muy adecuado para niños además de proporcionar información sobre un fenómeno que se puede ver co muchos fluidos cotidianos, por lo cual es muy educativo y didáctico.

Costos y Diseño Preliminar

Lista Materiales:

1. 1 metro Costanera Pino 1x2 pulgadas. $900

2. 1 metro Madera Pino 12x1 pulgadas. $3500

3. 1 Vidrio 1cm grosor (30x30) cm. $1500

4. Contenedor de plástico. $1000

5. Embudo plástico con abertura 0.8 cm diámetro. $1000

6. 50 cm Alambre 0.6 cm diámetro. $2500

7. 2 Litros Jabón Glicerina. $3000

8. Pegamento Agorex. $1200

Total $14600

El diseño consiste básicamente en un cajón hecho de madera de pino con una inclinación como muestra la figura 1. Encima de esta superficie inclinada se pega un vidrio delgado, por el cual se deslizará el líquido viscoso (jabon). Una costanera de 65 o 70 cm de largo se clava a la parte posterior del cajón. Esta costanera hace de poste y sostendrá el embudo que irá soltando gradualmente el chorro de líquido viscoso. El embudo se sostendrá con un alambre grueso que atravesará la costanera a través de pequeño agujeros, tomando una forma circular. Finalmente se pone un recipiente plástico pequeño que hará de colector de líquido viscoso. De esta manera se reutiliza el líquido viscoso.

Ensayos

Para el ensayo del prototipo procedimos a ocupar una base de vidrio y varios tipos de fluidos como shampoo, Quix, jabón de glicerina y miel. Ocupamos diferentes tipos de fluidos para así determinar si habían diferencias entre ellos en relación al efecto Kaye.

El primer ensayo fue hecho de la siguiente manera, pusimos la base de vidrio inclinada aproximadamente 60º y la bañamos con una capa del fluido que íbamos a ocupar para después de una altura aproximada de 25 cm dejar caer un chorro constante de fluido. Con esto pudimos comprobar que tanto como el shampoo y el jabón fueron muy buenos en mostrar el efecto Kaye ya que no demoro mas de 1 segundo en aparecer un chorro ascendente constante y con una muy buena distancia, el quix fue el que le siguió a estos dos con un chorro con menor distancia y como ultimo quedo la miel que no resulto un chorro constante, mas bien uno intermitente no muy largo. Después de esta prueba nos quedo claro que nuestro candidato para el prototipo tenia que ser el shampoo o el jabón y por cosa de costos elegimos el jabón.

El segundo ensayo que hicimos fue para determinar el mejor ángulo que debía estar la base de vidrio y la mejor altura del jabón. Para esto fuimos probando diferentes alturas y ángulos hasta que concluimos que con un ángulo aprox. de 45º y una altura de 20 cm era la mejor combinación, ya que se conseguía un chorro constante con una altura y longitud muy buena de aproximadamente 15 cm y en ocasiones era posible ver que el chorro rebotaba mas abajo en el vidrio creando otro chorro más.

En conclusión los ensayos fueron todo un éxito porque nos demostró en vivo el efecto Kaye y nos ayudo a hacer importantes modificaciones al diseño del prototipo final antes de la competencia.

Efecto Elegido

EFECTO KAYE

El efecto Kaye, es una extraña propiedad de los líquidos complejos. Lo que sucede es que mientras se vierte uno de estos líquidos sobre una superficie, ésta devuelve un chorro ascendente que tiende a combinarse con el choro que cae.
Para entenderlo mejor, lo explicaremos con más detalles. Supongamos que dejamos caer un chorro de un líquido viscoso sobre una superficie inclinada (bañada en el mismo líquido viscoso previamente). Debido al movimiento que se genera del fluido, la superficie se vuelve más líquida y el chorro resbala, devolviendo otro chorro ascendente. Este chorro que sale disparado hacia arriba tiende a combinarse con el que estaba cayendo.

Este efecto se da en fluidos tixotrópicos o con viscosidad variable como lo son el, barro, champú, miel, jabón de mano, pinturas, etc. Estas sustancias son también conocidas como no-newtonianos. El fluido tixotrópico al encontrarse en reposo contará con cierta viscosidad pero si golpeas lentamente su viscosidad disminuye.

Entender este fenómeno de fluidos no-newtonianos es importante cuando se extrae o transforma petróleo o algún líquido orgánico, como la sangre.

Un sorprendente fenómeno que se observa es que el chorro de salida de diámetro es considerablemente más grande que el diámetro del chorro que cae, indicando una menor velocidad en el líquido que salta. Las velocidades de entrada y salida de la reacción, V entrada y Vsalida, se mide por el seguimiento de microburbujas que figuran en el líquido transparente. Se cumple la ecuación de continuidad Ventrada Rentrada 2 = Vsalida Rsalida 2
Para este efecto se puede diseñar un dispositivo bien sencillo que consiste básicamente en lo que sale en la figura 1. Hay que poner un recipiente a 20 o 30 cm de altura lleno de líquido viscoso. Este recipiente tendrá un pequeño tapón que al sacar deja caer un chorro sobre una superficie inclinada que ya se encuentra previamente mojado de fluido por una propia bomba que se lo genera. Al pasar el rato de caer chorro debería dispararse un chorro hacia arriba. Todo el líquido caerá sobre un colector para así reutilizar el fluido.

¿POR QUÉ ELEGIMOS ESTE EFECTO?

Elegimos el efecto Kaye, por ser un efecto muy poco conocido. En general, se conocen muchos efectos de los fluidos, pero este es particularmente extraño y no se puede explicar por qué sucede, más que por ser una propiedad del fluido.

Por otro lado, pensando en los otros efectos que habíamos considerado; el efecto Weissenberg es muy conocido y muchos otros grupos también los estaban estudiando y, el efecto suelo, es muy complejo, costoso y difícil de mostrar. El efecto Kaye resultó ser el más original frente a los otros dos.

Otra cosa que encontramos interesante sobre este efecto, es que está presente en fluidos tixotrópicos. Esta propiedad la poseen muchos líquidos no-newtonianos muy comunes y cotidianos que se encuentran en todas las casas, como por ejemplo; jabón líquido, champúes, pinturas, miel, barro, ketchup, etc. Por lo tanto, es probable que la mayoría de la gente haya presenciado este fenómeno más de alguna vez sin haberle dado crédito alguno o sin haberse dado cuenta de la extrañeza de lo sucedido. Nos resultó fascinante como puede ser a la vez cotidiano, pero muy extraño.

Efecto Suelo

Efecto Suelo o Ground Effect se denomina al fenómeno aerodinámico que se da cuando un cuerpo, con una diferencia de presiones entre la zona que hay por encima de él y la que hay debajo, está muy cerca de la superficie terrestre, lo que provoca unas alteraciones en el flujo de aire que pueden aprovecharse en diversos campos tales como aeronáutica, automovilismo, náutica, por decir unos pocos.

Como se ve en la figura al acercarse el avión al suelo se generan diferentes flujos de aire que puede aumentar su eficiencia hasta un 250%, necesitando menos propulsión para ir a la velocidad deseada, es así que se nos ocurrió el siguiente dispositivo para mostrar este efecto.

Básicamente es un ala o “avión” de un material liviano como plumavit o madera de balsa el cual esta sujeto por dos cuerdas que lo dejan derecho con respecto a la horizontal. Hay un ventilador que servirá para transmitir un flujo de aire hace el “avión”, el “avión” a su vez esta sujeto a un resorte que servirá para medir la fuerza con que es tirado el “avión” hacia atrás producto del viento, siendo posible bajar el “avión” y el resorte a una distancia cercana al suelo y así mostrar como cambia la medición del resorte.

Este dispositivo cumpliría muy bien con el objetivo de mostrar un fenómeno de fluidos de una manera entretenida ya que los mismos niños podrían operarlo además de no ser muy costoso en su construcción, lo único en contra de este diseño es la construcción del “avión”, ya que no sabemos muy bien como hacerlo para que la diferencia entre cerca del suelo y lejos sea significativa.

Efecto Weissenberg

Supongamos un recipiente parcialmente lleno con un fluido e introducimos dentro una varilla rígida, la cuál agitamos, haciéndola girar con una velocidad moderada. Lo que sucederá, es que sobre la superficie del agua alrededor de la varilla se producirá una depresión (como se observa en el dibujo izquierdo de la figura). Lo anterior lo podemos explicar dado que la varilla al girar, hace que el fluido también gire produciéndose una fuerza centrífuga que hace que el fluido se vaya hacia las paredes del recipiente y se acumule ahí, ocasionando una deficiencia de fluido alrededor de la varilla. Intuitivamente, pensaríamos que esto es lo que sucede.

Sin embargo, esta explicación no es aplicable si el fluido es polimérico, en cuyo caso, el efecto sería precisamente el opuesto. El fluido se concentrará alrededor de la varilla y trepará por ella. Este el es llamado efecto Weissenberg que pretendemos estudiar.

Lo principal, es que los fluidos poliméricos, a diferencia de los newtonianos, tienen "memoria", lo que significa que la deformación del material dependerá tanto de los esfuerzos aplicados en ese instante, como de los esfuerzos y deformaciones anteriores.

Mostrar el efecto Weissenberg, es bastante simple. Sólo se necesita un recipiente, un agitador y el fluido polimérico. Pero para eso, se necesita conseguir un agitador, que puede ser una varilla conectada a un taladro de mano y se necesita el fluido polimérico. En esta parte, se pueden usar más de un fluido, para mostrar cómo unos trepan más que otros y cómo en los fluidos newtonianos no se observa el efecto. Buscando distintos fluidos poliméricos, por ahora, encontramos los siguientes: shampoo, masa de panqueques (una mezcla de harina, agua y clara de huevo) y una solución de cola fría mezclada con tetraborato de sodio.

Efecto Kaye

Supongamos que dejamos caer un chorro de un líquido viscoso sobre una superficie inclinada (bañada en el mismo líquido viscoso previamente). Debido al movimiento que se genera del fluido, la superficie se vuelve más líquida y el chorro resbala, devolviendo otro chorro ascendente. Este chorro que sale disparado hacia arriba tiende a combinarse con el que estaba cayendo. Esto que acabamos de describir es el efecto Kaye.

Este efecto se da en fluidos tixotrópicos o con viscosidad variable como lo son el, barro, shampú, miel, jabón de mano, pinturas, etc. Estas sustancias son también conocidas como no-newtonianos. El fluido tixotrópico al encontrarse en reposo contará con cierta viscosidad pero si golpeas lentamente su viscosidad disminuye en contraste con pegarle, que se hace duro.

Entender este fenómeno de los fluidos no-newtonianos es importante cuando se extrae o transporta petróleo o algún líquido orgánico como es la sangre.

Para este efecto se puede diseñar un dispositivo bien sencillo que consiste básicamente en lo que sale en la figura 1. Hay que poner un recipiente a 20 o 30 cm de altura lleno de líquido viscoso. Este recipiente tendrá un pequeño tapón que al sacar deja caer un chorro sobre una superficie inclinada que ya se encuentra previamente mojado de fluido por una propia bomba que se lo genera. Al pasar el rato de caer chorro debería dispararse un chorro hacia arriba. Todo el líquido caerá sobre un colector para así reutilizar el fluido.

Calendario de Trabajo

(Click En La Imagen Para Agrandar)

Aquí esta una carta Gantt, la cual muestra en que hemos trabajado y trabajaremos en cada semana de este semestre.

Metodología

Como toda creación costara mucho pensar en la mejor idea, por lo que para hacerlo mas efectivo usaremos la siguiente metodología de trabajo:

1.- Identificación de oportunidades: una lluvia de ideas sobre distintos efectos de la mecánica de fluidos, tratando de encontrar alguno que sea más desconocido, interesante y entretenido.

2.- Evaluación y selección: una vez que hayamos encontrado algunos efectos, debemos analizarlos por separado para ver cuáles se pueden mostrar de manera fácil, en un artefacto construido por nosotros mismos y más o menos cómo nos proponemos a mostrarlo. En este paso tendremos que descartar algunos que sean demasiado complicados o, difíciles de entender o de mostrar. Finalmente, elegir un sólo efecto.

3.- Desarrollo e ingeniería del producto y del proceso: estudiaremos cuál es la mejor manera de mostrarlo y vendrá el proceso de diseño y modelación del artefacto. Luego, nos propondremos a construir nuestro dispositivo.

4.- Pruebas y evaluación: finalmente hacerlo funcionar y comprobar que efectivamente cumple su objetivo original, que es el explicado en el primer párrafo, para un efecto específico de los fluidos. Entonces, se le dan los toques finales y se arregla cualquier falla o error que se identifique durante las pruebas.

Videos Sobre Nuestras Ideas

Efecto Weissenberg




Efecto Kaye




Efecto Suelo

Definición de Metas y Objetivos

Objetivos

 Nuestros objetivos principales para el proyecto son:

-Diseñar y construir un dispositivo educativo con respecto a un fenómeno relacionado con la Mecánica de Fluidos.

-El dispositivo creado debe ser educativo, didáctico y seguro para la manipulación de usuarios.

-Aplicar los conocimientos del curso en la construcción del dispositivo.

-Contribuir a generar interés por las ciencias entre los niños.

-Trabajar en equipo de manera íntegra pero a la vez con repartición de tareas claras

 

Metas

 -No pasarse de la restricción de presupuesto ($20.000)

 -Tener reuniones periódicas para ir definiendo el proyecto y rendir los avances de nuestras tareas personales.

 -Alcanzar un dispositivo de nivel que se pueda exhibir en el MIM.

 -Dentro de las posibles ideas, definir una antes del 10 de Mayo en base a la viabilidad del dispositivo.

Grupo 11

 Te damos la bienvenida al blog del Grupo 11 del curso Mecánica de Fluidos, en él veras periódicamente el avance de nuestro proyecto y como este va tomando forma, además de encontrar encuestas y juegos relacionados con el proyecto.

Los Integrantes del grupo son:

Josefina Valdivieso

Encargada de la experimentación, administración de recursos y tesorería

Joaquín Castro

Encargado de la investigación y construcción

Francisco Manaut 

Encargado de la coordinación general y diseño y administración del blog 

La tarea de generar ideas es hecha por todo el grupo, ademas cabe mencionar que la división de tareas no es 100% estricta ya que todos ayudaremos en lo que haga falta.

Disfruta, opina y participa de nuestro blog, te esperamos.