Grupo 14 - Proyecto Mecánica de Fluidos PUC

Prueba de la Embarcación:

2008-06-16T19:24:00.000-07:00

Para confirmar que nuestra embarcación cumplía con las restricciones impuestas por las bases del proyecto es que realizamos pruebas de estabilidad, flotación y desplazamiento. Primero evaluamos que el volumen desplazado de agua debía estar acorde a las exigencias del proyecto, para lo cual introdujimos nuestro barco en un recipiente acrílico de dimensiones 1metro x 0.5 metros y evidenciamos un cambio de altura de aproximadamente 2 cm., lo que equivale a un volumen desplazado de 1 litro.

Luego colocamos la embarcación en una piscina de unos 5 metros de largo y con un secador de pelo de 2000 watts indujimos una corriente de aire perpendicular a la trayectoria esperada, con el objetivo de observar la trayectoria, la cual mostraba no ser completamente rectilinea. Ante esto implementemos una especia de timón, confeccionado con una espátula de cocina, con el fin de que la trayectoria fuese mas recta. Luego de una nueva prueba se apreció una mejoría considerable.

Además aplicamos distintos pesos en ciertas partes del barco para comprobar su estabilidad, resultando que esta era bastante buena y no existía riesgo de vuelque, tal como se indica en el analisis teorico realizado en la seccion anterior.

Los resutados de los analisis realizados a la embarcacion fueron satisfactorios, siendo una de sus principales fortalezas una alta estabilidad. Sin embargo esto significa que la dimensiones del barco sean mayores, lo que significa una menor velocidad de desplazamiento.

Por otra parte una de las principales complicaciones de nuestro modelo se encuentra en el funcionamiento del sistema de propulcion, compuesto por los 2 cilindros, los cuales experimentan una desviacion en su eje de rotacion, producto de su union con los motores, lo que se traduce en que que la fuerza del viento no se aprovecha en su totalidad.

Como posibles mejoras, podria introducirse la reduccion de las dimensiones de la embarcacion, tratando de no sacrificar la estabilidad y conciderar no salirse de las especificaciones para el volumen desplazado.Esto se traduciria en un conciderable aumento de la velocidad de desplazamiento.

Implementacion

2008-06-16T19:15:00.000-07:00

El Trabajo fue dividido de la siguiente forma (Estas son las personas que trabajaron en forma más activa en estas áreas lo que no quiere decir que los otros integrantes no hayan contribuido):

Construcción Sistema Eléctrico del Barco: Sebastián Romero

Para esta etapa del proyecto, la cual consistía en confeccionar un sistema el cual se encargara de alimentar los 2 motores que son los encargados de hacer girar los cilindros, mediante los cuales la embarcación se desplaza, fue necesaria no más de una tarde. El sistema que permite que los cilindros giren, esta compuesto por una batería de 9 votl, la cual se conecta a un interruptor, el cual a su ves esta conectado con los 2 motores. Entonces al accionar el interruptor la corriente viaja de la batería a los motores y estos giran, transmitiendo este giro a los cilindros.

Una de las principales complicaciones al momento de construir el circuito fue la parte de unir los motores al interruptor, ya que en mas de una ocasión las conexiones se cortaban por lo que era necesario hacerlas de nuevo. Incluso en una oportunidad uno de los motores se descompuso, por lo que fue necesario comprar otro de las mismas características del que se nos había entregado.

Construcción del Barco: Rodrigo Loyola e Ignacio Escobar

La construcción del esqueleto del barco, el cual esta compuesto por una estructura hexagonal, hecha con tubos de PVC fue confeccionada en una tarde. Esta está compuesta por tubos de diámetro de 2.5 cm. unidos con adhesivo para PVC y las medidas se indican en la siguiente figura.

Sobre la estructura de PVC descansa el cuerpo del barco, el cual esta compuesto por 2 planchas de plumavit y una plancha de madera cuyo espesor en conjunto es de 4.5 cm. Entre la plumavit y la madera se encuentra es sistema electrico, los motores y el interruptor se asoman por sobre la madera, para poder poner los cilindros y para poder hacer funcionar el barco respectivamente.

Para unir ambas estructuras se utilizaron abrazaderas de PVC, las cuales fueron apernadas a la plancha de madera, atravesando la plumavit.

Finalmente para finalizar la construcción del modelo los cilindros fueron pegados a los motores, mediante la inserción de un tarugo el cual va adherido al motor. Para garantizar la firmeza de esta unión, le inserción del tarugo en el cilindro fue acompañada por una espuma expansiva utilizada para sellar grietas.

Las principales complicaciones a las que nos enfrentamos en la construcción fue unir todas las partes del barco, especialmente la incorporación de los motores y el interruptor.

A continuación se detallan los materiales ocupados en la construcción del modelo y su costo:

Efecto Magnus

2008-05-16T08:44:00.000-07:00

Conocer más sobre el fenómeno que va a experimentar nuestra embarcación es de vital importancia, es por esto, que en esta entrada hablaremos mas a fondo sobre el efecto magnus:

Efecto Magnus:

Fenómeno físico por el cual la rotación de un objeto afecta a la trayectoria del mismo a través de un fluido, en particular, el aire. Es producto de varios fenómenos, incluido el principio de Bernoulli y el proceso de formación de la capa limite en el fluido situado alrededor de los objetos en movimiento. Este efecto fue descrito por primera vez por el físico alemán Heinrich Magnus en 1853"(1)

Descripción:

Sea un cilindro que gira en el sentido de las agujas del reloj, y que está colocado perpendicularmente a las líneas de corriente de un fluido en régimen laminar con velocidad constante.
Por efecto de la viscosidad, los elementos de un fluido que se encuentran en contacto con la superficie límite, son arrastrados por el movimiento de giro del cilindro, de tal forma que en la parte superior del cilindro A los elementos de fluido aumentarán de velocidad y en cambio, en la parte inferior B su velocidad disminuirá tal como se ve en la figura 1.

Figura 1

De acuerdo con la ecuacion de bernoulli la presión en A será menor que en B, el mismo razonamiento se aplica a otros puntos del fluido por encima y por debajo de la línea horizontal que pasa por el centro del cilindro. La resultante de todas las fuerzas que actúan sobre el cilindro debido a la presión del fluido es una fuerza vertical denominada sustentación que tiende a desplazar al cilindro en una dirección perpendicular a las líneas de corriente.

El efecto Magnus se explica en términos de la función corriente Y (x, y). Las líneas de corriente, (en color rojo en la imagen), son aquellas para las que Y (x, y)=cte. .

Figura 2

El campo de velocidades se obtiene derivando (derivada parcial) la función corriente. La velocidad tangencial se obtiene

que se representa mediante flechas de color negro que acompañan a las partículas de fluido.

De acuerdo al teorema de bernoulli la presión de un fluido con velocidad v es p=r v2/2. Donde r es la densidad constante de un fluido incomprensible. La fuerza debida a la presión se aplica perpendicularmente a la superficie, de modo que la componente vertical de la fuerza es -senq (q )·dS tal como se ve en la figura 3.

Figura 3

Siendo dS el elemento de superficie dS=L·R·dq , para un cilindro de longitud L y radio R. La fuerza neta se obtiene integrando respecto del ángulo q entre 0 y 2p .
La fuerza neta por unidad de longitud del cilindro denominada sustentación, viene dada por la fórmula de Kutta-Joukowski

F=r v0G

Siendo v0 la velocidad del fluido en el infinito (cuando no experimenta la influencia del cilindro) y G se denomina circulación del campo de velocidades alrededor de cualquier línea cerrada que rodee al cuerpo sólido.(2)

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Ademas averiguando en la internet obtivimos la siguiente ecuacion que representa la fuerza:

donde

F = fuerza
ρ = densidad del fluido
V = velocidad del viento
A = area del cilindro
Cl = ( (velocidad angular*diametro)/(2* velocidad lineal) )

(3)

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por ultimo mostramos una imagen encontrada en internet que muestra esta ecuacion aplicada a nuestro cilindro:

(4)

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(1) referencia wikipedia "efecto magnus"
(2) referencia http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/dinamica/magnus/magnus.htm
(3) referencia wikipedia "magnus effect"
(4) referencia http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/cyl.html

Avance del Proyecto

2008-05-16T08:29:00.000-07:00

En esta entrada usted podra ver el estado actual en que se encuentra el proyecto:

Actualmente en el proyecto se plantearon diversos diseños de embarcaciones con el fin de analizarlas un poco más a fondo y determinar cuál de ellos será la óptima para nuestro trabajo. A continuación les presentamos unas imágenes y una breve explicacion de cada uno:

Prototipo 1

Los beneficios que otorga esta idea, es que al ser muy simple es fácil de construir y a la vez de adaptar para mejorarlo. Tiene como deficiencia que al ser muy simple, puede ser que por su tosquedad y poco aerodinamismo no sea tan eficiente en su desplazamiento sobre el agua.

Prototipo 2

Nuestra segunda opción para la nave consiste en una especie de canoa, fabricada con tubos de PVC tapados en sus dos puntas por tapones, sobre los cuales va una plataforma, la cual puede ser de aislapol u otro material en su defecto para proporcionar más peso y cumplir con los requerimientos mínimos.Pero al igual que para el prototipo anterior la geometría de la nave no acompaña a su desempeño aerodinámico, produciendo una oposición al desplazamiento, y por lo tanto una ineficiencia a ser corregida

La figura muestra una representación simplificada.

Se estudia la reducción de la cantidad de tubos de PVC, para lograr una disminución en la oposición que ofrecerá el agua al movimiento.

Prototipo 3

El tercer prototipo es más elaborado, consiste en el armatoste de un barco, hecho con alambre, forrado con láminas de micas o papel plástico de cocina, para impedir que entre el agua. En su interior cuenta con una compartimiento para poner el circuito para hacer girar los cilindros, y además una superficie para mantener firmes los motores, de manera de impedir la inestabilidad.

Con este modelo se podría conseguir una forma más aerodinámica lo cual optimizaría el desplazamiento, pero su construcción es compleja y puede ser que resulte difícil hermetizar la estructura, junto con conseguir que el volumen desplazado y la línea de flotación se encuentren en sus valores necesarios.

Para poder definir cuál de las tres embarcaciones utilizar se han propuesto dos alternativas, las que aún están en discusión. La primera de ellas, propone armar los tres prototipos y analizar en forma experimental sus desempeños. La segunda, consiste en analizar bajo métodos matemáticos sus rendimientos, para así determinar cuál de ellos será el más indicado.

Finalmente, tras construir los modelos, tomamos la decisión de llevar a cabo el modelo 2, debido a que es un modelo más elaborado que el primero en el cual resultaba un poco difícil conseguir el volumen desplazado requeridota ya que para poder lograrlo era necesario hacer un bote muy grande o agregarle bastante peso. Además la estructura del navío era muy endeble y delicada lo que dificultaba el correcto posicionamiento del circuito de propulsión. El modelo 3 fue descartado debido a que nunca fuimos capaces de lograr sellarlo bien para que flotara y sin siquiera probarlo nos dimos cuenta de que la estabilidad del bote como lo planteamos nosotros era muy mala lo que iba a dificultar el cumplimiento de las restricciones propuestas.

A su vez el modelo elegido fue ajustado para lograr un mejor desempeño, tuvimos que considerar ciertos fenómenos aprendidos en el curso que no habían sido tomados en cuenta en un principio, como es el caso de las Fuerzas de Arrastre Viscosas. Es por esto que cambiamos el diseño para provocar que las líneas de corriente estuvieran más pegadas al barco a diferencia del modelo anterior, para así optimizar su rendimiento.

Esta forma de canoa de PVC fue armada con codos de cañerías en distintos ángulos y “T” que permitieron sellarlos para que no les entrara agua. Sobre esta balsa se puso una capa de asilapol o plumavit como medida de prevención para que el barco no se hunda y a su vez sobre esto una madera en la cual se pondrá el sistema de propulsión, compuesto por los motores y cilindros.

Asignacion de tareas

2008-04-20T11:51:00.000-07:00

Para lograr cumplir con los objetivos de este proyecto es que hemos debido repartir las tareas que nos permitirán confeccionar nuestra embarcación en las siguientes áreas:

Investigación teórica

En esta división es necesario lograr un conocimiento acabado del fenómeno que permitirá a nuestra embarcación desplazarse por el canal y ganar la competencia. En este caso el fenómeno a estudiar es el Efecto Magnus, por lo que una persona está estudiando este efecto, con el fin de poder confeccionar el sistema óptimo, el cual tiene como base los mástiles y los motores proporcionados por el DIHA, que nos permita aprovechar de mejor manera la fuerza del viento y hacer que nuestra embarcación sea la más veloz. Para esto Guillermo Chacón esta llevando a cabo la investigación.

Diseño teórico

En esta categoría del trabajo se necesita estudiar todos los conceptos relacionados al óptimo funcionamiento de la embarcación, por lo que es necesario el estudio de diseños ya existentes y las posibles mejoras que se les pueden realizar con el objetivo de lograr un mejor desempeño de estos desde el punto de vista de estabilidad y para que reduzcan las fuerzas hidrodinámicas opuestas al movimiento. Además con los conocimientos adquiridos con el curso, se realizarán los análisis de estabilidad y se especificarán las restricciones que debe tener el modelo, para cumplir con las exigencias impuestas para este proyecto. Para esta función Ignacio Escobar y Rodrigo Loyola, están realizando los cálculos e investigaciones necesarias.

Estudio de materiales

También hay una persona, Sebastián Romero, encargada de estudiar los materiales con los cuales se va a construir la embarcación, parte importante del diseño, ya que el conocimiento de distintos materiales nos permitirá escoger aquel que nos brinde mayores ventajas.

Diseño y construcción

Una vez escogidos los materiales y teniendo en cuenta todas las especificaciones necesarias para el correcto funcionamiento de la embarcación, se recopilan todos los diseños y se realiza la construcción. Ya confeccionada la embarcación se procederá a realizar las pruebas correspondientes, con el fin de corroborar su funcionamiento y posteriores mejoras. En esta etapa estará todo el grupo comprometido.

Estas son las etapas en las cuales se realizará la construcción de la embarcación, ordenadas de manera cronológica las primeras tres se realizaran al mismo tiempo, para luego proceder con la construcción y evaluación del modelo.

Actualmente se ha llevado a cabo la investigación y se están analizando las prestaciones que cada embarcación podría tener, para así comenzar de una vez la construcción del navío más veloz nunca antes visto por Ingeniería.
(1) esta entrada estara constantemente bajo actualizacion

Descripcion del proyecto

2008-04-18T07:44:00.000-07:00

La idea de este proyecto es diseñar una embarcación que se desplace por medio del "efecto magnus, fenómeno físico por el cual la rotación de un objeto afecta a la trayectoria del mismo a través de un fluido, en particular, el aire. Es producto de varios fenómenos, incluido el principio de Bernoulli y el proceso de formación de la capa limite en el fluido situado alrededor de los objetos en movimiento. Este efecto fue descrito por primera vez por el físico alemán Heinrich Magnus en 1853"(1)

El diseño de nuestro modelo debe cumplir con las siguientes especificaciones:

No existen restricciones en cuanto a materiales, dimensiones o forma de la embarcación.
El costo de los materiales empleados para su fabricación no debe sobrepasar los $15.000 (se debenadjuntar facturas o boletas con el costo de materiales utilizados).
La embarcación debe contar con dos mástiles cilíndricos de diámetro D=50mm conectados a pequeños motores capaces de hacerlos girar,tanto los motores como los cilindros seran proporcionados por el DIHA (Departamento de Ingenieria Hidraulica y Ambiental)
La línea de flotación debe situarse a mínimo 4 cm de la cubierta y máximo a 6 cm.
El volumen desplazado por la embarcación terminada y con todos sus elementos debe ser superior a200 cm3.
Debe permanecer estable frente a solicitaciones externas, sin volcarse lateralmente ni en el sentidolongitudinal, permaneciendo el eje principal del aparato horizontal (2)

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(1) Referencia: Wikipedia "efecto magnus"

(2)Informacion obtenida del documento "Proyecto aplicado Mecanica de Fluidos 2008" el cual se encuentra en la pagina del curso.

Presentacion del grupo

2008-04-18T07:31:00.000-07:00

Bienvenidos!!!!, Somos el grupo 14 del proyecto mecanica de fluidos "el efecto magnum" conformado por:

Guillermo Chacón 06631088 gachacon@uc.cl
Ignacio Escobar 06629253 ilescoba@uc.cl
Rodrigo Loyola 06630219 raloyola@uc.cl
Sebastian Romero 06631819 snromero@uc.cl

En este blog usted podra encontrar toda la informacion del avance del grupo con respecto al proyecto.

Objetivo del proyecto:

El objetivo del proyecto es entender mejor el comportamiento de los fluidos en la vida real y aplicar los conocimientos aprendidos en clases, a traves del diseño y construccion de un embarcacion.
Ademas buscamos obtener el primer lugar en la competencia a realizar a finales de semestre la cual comparara la calidad de los navios a la hora desplazarse en el canal construido por el DIHA.