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

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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.