Cumplimiento de condiciones de diseño

En las bases del proyecto, se encuentran las siguientes condiciones sobre las características del dispositivo:


"· El costo de los materiales empleados para su fabricación no debe sobrepasar los $20.000 (se deben
adjuntar facturas o boletas con el costo de materiales utilizados).
· Debe ser un dispositivo concentrado en el diseño y utilidad, enfocándose en la idea educativa e
interactiva del MIM
· Debe ser un dispositivo educativo, no frágil y que no presente riesgo para los usuarios que lo
manipulen."

Ahora mostraremos porque nuestro proyecto cumple estas condiciones de manera óptima.

Primero, de lo dicho en esta entrada, vemos que nuestro proyecto cumple la primera condición que es lo que respecta al costo del proyecto.

Ahora, el dispositivo construido claramente no presenta ningun riesgo, pues no tiene elementos con filo ni punta que puedan dañar a los usuarios que lo manipulen.
El dispositivo tampoco es frágil, aunque se debe ser cuidadoso en el trato con la rueda para no descentrarla.

El punto más importante es el que respecta a lo educativo e interactivo del dispositivo.
La parte educativa de nuestro proyecto consiste en mostrar un fenómeno muy interesante de la física, que es el del caos. Cuando uno aprende física en el colegio, parecieria que se puede determinar todo, o que si en un principio no se puede, un par de simplificaciones nos van a permitir conocer todo acerca del problema, y podremos predecir fácilmente que es lo que va a ocurrir. Sin embargo, modelos como la rueda de Lorenz muestran que esto en realidad no es tan cierto. Si bien el movimiento de esta rueda puede ser representado por ecuaciones diferenciales, lo increíble es la gran sensibilidad que este sistema tiene a las condiciones iniciales.


Es decir, es muy dificil (si es que posible) lograr que la rueda haga en 2 oportunidades distintas los mismos patrones, que es lo que nuestro proyecto tratará de mostrar. Para esto, y aquí es donde interviene la parte interactiva del proyecto, hemos diseñado el dispositivo de tal forma que sea posible sacar los vasos (parte innovadora del proyecto). ¿Y para qué sirve esto? La idea es que tendremos 12 vasos, 6 de ellos con agujeros y 6 de ellos sin agujeros, y esto le permitirá al público experimentar qué pasa si se colocan 6 vasos sin agujeros, y qué pasara al poner 6 vasos con agujeros.


Naturalmente, si los vasos no botan agua, la rueda girará de una forma bastante fome. Sin embargo, bastaría con cambiar un par de vasos por los que si tienen orificios para empezar a ver los movimientos interesantes de que hemos mencionado en las entradas anteriores.
Nosotros creemos que de esta manera nuestro dispositivo logrará ilustrar de manera clara y entretenida el fenómeno del caos, que es el principal objetivo de este proyecto.

Desempeño del prototipo

Es sabido que todos los dispositivos expuestos en el MIM son interactivos, por lo que nuestro prototipo estará al alcance de diversas personas. Es por esto, que se deben hacer una serie de ensayos para asegurarnos de que funcione adecuadamente.

Los distintos ámbitos a testear son: funcionalidad, seguridad y atractivo que generé en el público.


En cuanto a la funcionalidad se harán una serie de pruebas con distintas cantidades de líquidos, para así fijar cuánto es el óptimo a usar durante la exhibición.




En lo que es seguridad, se debe tomar en cuenta que muchos niños irán al museo, por lo cual hay que ser muy críticos en este ámbito. De partida, la bomba de agua debe quedar fuera del alcance de un potencial usuario. Además de esto, hay que ver que la estabilidad sea tal que el agua no se derrame, o peor aún, el prototipo caiga sobre alguien. Esto se evaluará midiendo cuánto esfuerzo (a considerar mínimo, ya que el dispositivo no debe ser tocado) hay que hacer sobre este para que se ladee y reforzando la base en caso de ser necesario.


Por último, pero no por eso menos importante, el dispositivo debe llamar la atención de todas las personas; tema más complicado en niños que en adultos. Para corrobar esto se entrevistará a un grupo personas (en su mayoría niños), a los cuales se les preguntará si el dispositivo les llama la atención, qué aprendieron de este y qué cambios le harían. En caso de ser necesario y viable, estos cambios se realizarán.

Evaluación de costos

En esta entrada detallaremos los costos de nuestro proyecto.
Cada parte por separado costó:

• 12 vasos plasticos: $500.
• Mesas de soporte: prestadas.
• Bomba de agua sumergible: prestada.
• Rueda de bicicleta trasera aro 28: $9.000.
• Perfil de metal Metalcon C 2x4x0,85x2,5 metros perforado: $3.358.
• Broca para metal: $910.
• 3 mts. Tubos PVC: $4.190.
• 6 angulos (o escuadras) : $1.590.
• Clavos y otros materiales como pegamentos para las uniones, etc: donados.

Costo total: $19.548

Diseño del dispositivo

El diseño que pensamos para ilustrar el fenómeno escogido es el siguiente (hacer click en la foto para verla más grande):



Este diseño consiste en una rueda de bicicleta a la cual le adjuntaremos unos ángulos (o escuadras) para colgar los vasos.
Para sostener la rueda usaremos un soporte en forma de H como el que se muestra en la figura. El tubo que va perpendicular a la rueda consiste en un perfil de metal. Este perfil va a estar conectado a 2 tubos PVC. Finalmente, estos 2 tubos irán sobre 2 mesas como muestra la figura.
La idea de este diseño es simplificar el proceso de construcción pues la otra opción era que el soporte también tuviese altura, lo que es bastante más caro y dificil que la idea propuesta.
Siguiendo con el diseño, debajo de la noria irá un recipiente donde cae el agua botada por los vasos (recordar que estos tienen hoyos en su parte inferior). Luego, esta agua es transportada nuevamente hacia arriba usando una bomba de agua y una manguera como muestra la figura.
Así, nos aseguramos de que nuestro proyecto no se transforme en un gastadero de agua.

Los costos de los materiales serán detallados en la próxima entrada.

Otras ideas

Además de las 4 ideas presentadas detalladamente en las entradas anteriores, durante el transcurso del semestre pensamos otras ideas que no nos causaron tanto interes, por lo que no fueron desarrolladas con tanta profundidad como las 4 ideas ya presentadas.
Por esto, mostraremos brevemente cada una de ellas:

1. El tubo de Ruben
El tubo de Ruben es un experimento que muestra la relación entre las ondas de sonido y la presión. Se puede ver en la siguiente figura:



El dispositivo es un tubo de PVC al que se han hecho varios orificios y al que se adjuntan 2 parlantes a sus costados. Luego se prende fuego al gas propano como se ve en la figura.
Ahora, cuando uno produce sonidos en el parlante, el fuego actúa como una especia de ecualizador, tomando la forma de las ondas de sonido, como se ve en la foto.
El problema de este experimento es que es bastante inseguro.
Pueden verlo en video aquí.

2. Modelos de simulación del cuerpo humano
Otras opciones que consideramos fueron simular el sistema respiratorio o el circulatorio, por la gran relación que estos tienen con la Mecánica de Fluidos.
La idea, en cualquiera de los 2 casos, era hacer una maqueta que mostrará el flujo de sangre en el caso del corazón o de aire en el caso del pulmón, explicando los fenómenos físicos que ocurre dentro de cada uno.


Aquí una de las cosas interesantes es la función de bomba de agua que tiene el corazón.



En este caso lo interesante va por el flujo en la gran cantidad de "cañerías" que tiene cada pulmón.

3. Fluidos sujetos a aceleración
De lo visto en clases, uno puede conocer las superficies isobáricas de un fluido que está acelerando.
Nuestra idea era tener un carrito con una vela, y mostrar mediante el movimiento de la llama de la vela las formas que pueden adoptar las superficies isobáricas.

4. Funcionamiento del WC y Remolinos
Otra de las ideas que barajamos fue mostrar el funcionamiento de un WC o hacer un modelo de remolino, aunque practicamente no se avanzó nada en ninguna de las 2 ideas.

Reunión de grupo 28/05/09 e Idea escogida

Hoy tuvimos una reunión de grupo donde hablamos con el profesor de nuestras ideas para que nos aconsejara con el objetivo de elegir una idea definitiva para el proyecto.

Tras está reunión, la "pelea" por ver cual de las ideas iba a ser escogida quedo entre la noria de Lorenz y la transpiración de las plantas. Para escoger entre estas 2 posibilidades, analizamos las ventajas y desventajas de cada una, y finalmente escogimos la noria de agua de Lorenz.

Con la idea finalmente escogida, empezamos a idear la implementación del proyecto, es decir, como será construido y de que forma se mostrará el fenómeno de movimiento caótico. Estos temas quedarán pendientes por ahora y serán posteados en alguna próxima actualización del blog.

Aquí dejamos un link a la entrada de nuestro blog acerca de la noria, donde se explica brevemente el fenómeno y se puede ver un video de esta en funcionamiento, además de unos links interesantes.

Definición de Metodologías

Para ordenar nuestro proceso de diseño, se investigó acerca de como se abordan los diseños ingenieriles en la actualidad.
En el final de este post se muestra un link a un PDF que usamos para guiarnos. Según este documento, los procesos de diseño se guian por las siguientes 10 etapas: Identificación de la necesidad, Investigación a fondo, Planteamiento del problema, Especificaciones de tarea, Ideación e Invención, Análisis, Selección, Diseño Detallado, Diseño de Prototipos y Producción.

Nosotros nos guiaremos de acuerdo a los puntos señalados anteriormente, poniendo especial énfasis en las últimas 6 etapas.
En el transcurso de esta y la próxima semana se llevarán a cabo reuniones de grupo, y una reunión con el profesor del curso que nos permitirán avanzar en las etapas 4 a 6 (desde Ideación de ideas hasta Selección).
En estas reuniones se discutirá acerca de las ideas pensadas (las que han sido publicadas en el blog, y quizás alguna que no haya sido publicada aún) y se analizará cada una, tomando en cuenta tanto su atractivo para el MIM como su "atractivo cientifico", es decir, la complejidad del fenómeno y lo interesante que pueda resultar desde el punto de vista de la Mecánica de Fluídos. También se discutirá la factibilidad de cada proyecto, para lo que se pensarán posibles diseños que permitan ilustrar los fenómenos.
Tras todos estos análisis se escogera una idea final (etapa 7), y con ella escogida se sostendrán más reuniones en las que se abordaran los puntos 8 y 9, es decir, el diseño final y la posterior construcción de este. En la etapa 9 también se incluye todo lo que es ensayo de prototipos, donde se revisará si el dispositivo construido logra mostrar de forma clara y atractiva el fenómeno escogido por el grupo.
Finalmente, con el dispositivo ya probado, se empezará la parte final del proyecto, que consiste en el análisis de los resultados obtenidos y la posterior presentación del proyecto.

Link al PDF:
Proceso de diseño

Cuarta Idea: "El dique de Oosterschelde"

Algunos países del mundo han tenido problemas con la naturaleza que han causado grandes problemas, como es el caso de Holanda, que al estar muy cerca del mar ha necesitado la construcción de diques que permitieran la seguridad del país.
Sin embargo, en 1953, fuertes inundaciones azotaron al país, destruyendo todos los diques y medidas de seguridad que se tenían en esos tiempos, lo que obligo al gobierno holandés, y a los ingenieros del mundo a pensar soluciones para aquel problema. Esa fue la tarea de Delta Works, empresa que empezó la construcción de los diques que ahora protegen a Holanda.
Entre ellos está el dique de Oosterschelde, que es ahora el más grande del mundo, y que junto al resto de los trabajos de esa empresa son consideradas una de las 7 maravillas del mundo moderno.
Cabe destacar que la inmensa magnitud de este proyecto (que consta de pilares gigantes de más de 30 metros, y enormes compuertas que regulan el paso del agua) demoró 10 años, en los que incluso se usaron barcos para suavizar el suelo de las profundidades del mar para poder colocar las partes del dique.

Conocido lo anterior, una buena idea de proyecto sería mostrar cuál es la idea bajo el funcionamiento de estos diques, mostrando los mecanismos que éstos tienen para controlar el nivel del agua, y haciendo análisis de la fuerza que deben soportar, mediante una maqueta que simule al menos un pequeño sector del dique.
Nosotros consideramos que esta es una buena idea, pues muestra un diseño ingenieril real, que ha sido de gran utilidad para la humanidad, y que además posee un gran interés del punto de vista de la Mecánica de Fluídos.

Para leer más acerca de las construcciones de Delta Works y un poco de Holanda, ver los siguientes links:

Página de Wikipedia acerca del dique de Oosterschelde (en inglés)
Sitio de Delta Works (en inglés)
Entrada acerca del dique en un blog de turismo holandés (en español)
Página de Wikipedia de Delta Works (en inglés)

Calendario de trabajo

A continuación les expondremos las distintas tareas a realizar para la creación del dispositivo y sus respectivos plazos. Es muy importante respetar los tiempos de trabajo estipulados, para no vernos apremiados a final del semestre.

Carta Gantt


(click para agrandar)

Calendario de Trabajo mes de Junio


(click para agrandar)

Detalle de tareas y fechas

Viernes, 29 de Mayo: Entrega primer informe. Segunda Revisión del blog.

Lunes, 2 de Junio: Visita de todos los integrantes al MIM.

Martes, 3 de Junio: Decisión final sobre que dispositivo crear y creación de primer bosquejo.

Viernes, 5 de Junio: Diseño final del modelo.

Sábado, 6 de Junio: Cotización y adquisición de los materiales necesarios para la construcción del dispositivo.

Martes, 9 de Junio: Primera parte construcción dispositivo.

Miércoles, 10 de Junio: Fin construcción dispositivo y prueba de funcionalidad.

Viernes, 12 de Junio: Entrega segundo informe.

Martes, 16 de Junio: Pensar sobre posibles mejorar ha realizar en el dispositivo.

Viernes, 19 de Junio: Revisión final del blog.

Martes, 23 de Junio: Realizar últimos arreglos al dispositivo.

Viernes, 26 de Junio: Presentación final de dispositivo.

Tercera Idea: "Transpiración en las plantas"

Antes de explicar el fenómeno de transpiración, se definirá el potencial hídrico, que corresponde a la energía potencial que posee una masa de agua. Se le designa por la letra Ψ y depende de una serie de factores:

*Concentración (ΨS, potencial osmótico): El agua fluirá desde una solución poco concentrada hasta una solución más concentrada.
*Presión (Ψρ, turgencia): El agua fluirá desde un sistema con presión alta hasta un sistema con baja presión.
*Altura (Ψg, potencial gravitacional): El agua fluirá hacia abajo.
*Capilaridad (Ψm, potencial matricial): Mezcla de ΨS y Ψρ. Este potencial se origina por las fuerzas de capilaridad y tensión superficial en espacios pequeños.
*Humedad (Ψv, presión de vapor): Es el mismo término que la turgencia, pero es más correcto emplear éste para la medición de potenciales en el vapor de agua.
*Carga (Ψc, potencial eléctrico): El agua no tiene carga (en general), por lo cual en el caso de la transpiracion de la plantas este se desprecia (sin considerar los iones que esta acarrea de la tierra, etc).
*Potencial de referencia (Ψ0): Es el potencial hídrico que posee el agua pura en condiciones estándar de temperatura y presión. Es muy difícil establecer un valor concreto, por convención se le ha asignado el valor 0.

Por lo tanto el potencial hidrico esta dado por:

Ψ = Ψ0 + ΨS + Ψρ + Ψg + Ψm + Ψv

(Hay que considerar que no todos estos factores del potencial hidrico influyen en la transpiración).

Ahora definiremos el concepto de transipiración, que es el proceso por el cual las plantas pierden agua en forma de vapor, principalmente por las hojas (esto ocurre a traves de los estomas, que son los poros de las plantas).



Una de las teorias para explicar este proceso es el mecanismo de tensión-cohesión.
Esta teoría dice que para que el agua ascienda por la planta a través del xilema (especie de cañerias o tuberias presente en la planta), lo que debe ocurrir es que a medida que el agua se evapora, perdiéndose por los estomas (transpiración), el Ψ se debe volver más negativo (recordar que el agua se mueve de una region de mayor Ψ a una de menor Ψ, y el flujo de agua ocurrirá hasta que los Ψ sean iguales o 0 ) . Este descenso de Ψ se transmite del estoma al mesófilo (el mesófilo es el tejido fundamental de la hoja, constituye el tejido fotosintético) y de ahí a las terminaciones del xilema foliar. El descenso del Ψ se transmite a lo largo del xilema hasta la raíz, generándose un Ψ menor que el del suelo, lo que origina que el agua fluya espontáneamente del suelo a la raíz.
El agua asciende por el xilema formando una columna continua gracias a las fuerzas que tienden a unir las moléculas de agua (cohesión) y tiende a ascender y adherirse a las paredes del tubo, siendo estas fuerzas también importantes. El flujo de agua puede interrumpirse (cavitación), ya que los gases disueltos en el agua pueden formar burbujas e interrumpir la conducción (lo que se conoce como embolia).
A este modelo se le denomina modelo de Tensión-Adhesión-Cohesión, que es la teoria mas aceptada para explicar el proceso de transpiración de las plantas.

Mecanismo de transpiración:

Ψsuelo > Ψxilema raíz > Ψxilema tallo > Ψhoja > Ψatmósfera

Donde los valores respectivos para cada Ψ (que se mide en unidades de presión) son:

0,5 MPa -0,6 MPa -0,8 MPa -0.8 MPa -95 MPa.

Cabe mencionar que de forma ideal, el flujo de agua a través de los capilares del xilema viene determinado en la ecuación de Poiseuille. Pero no basta un sistema de capilares para lograr ascensos de agua de más de 100 m. y flujos tan elevados, es por esta razon que para explicar el transporte de agua en arboles, se emplea el modelo descrito anteriormente.

Si alguien quiere ahondar mas en el tema y averiguar más acerca de la ecuación de Poiseuille siga los siguientes links:

http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Poiseuille
http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/bolarios/FisioVegetal/TeoriaFisioVegetal/Resumenes/tema4.htm
http://biocity.iespana.es/fisveg/fv5.htm
http://es.wikipedia.org/wiki/Potencial_hidrico

Esta idea nos parecio novedosa e interesante, ya que consiste en un fenómeno cotidiano que esconde una complejidad jamás pensada. Falta encontar un proyecto a escala que ilustre este proceso, para poder ser exibido en el MIM.

Segunda idea: "Curvas isobáricas"

Sabemos de la ley hidrostática que para un fluido en reposo sometido a un campo de fuerzas másicas, la presión esta determinada por la siguiente relación:

Es decir, que el gradiente de presión tiene la misma dirección que el campo de fuerzas y es proporcional a el producto de la masa especifica con éste.

Si aplicamos esta relación a un fluido que se encuentra en un estanque que gira, donde el fluido se mueve como un todo (no escurre), las fuerzas másicas a las que se encuetra expuesto son la gravedad y la fuerza centrípeta.

Desarrollando se llega a que la presión esta dada por:

Es decir las curvas isobáricas son paraboloides de revolución que dependen de la densidad del fluido.

Ahora, ¿qué pasaría si en ese mismo estanque se echaran fluidos de distintas densidades y colores? Según la fórmula anterior, las isóbaras dependeran de las densidades de los fluidos, por lo cual éste se separaria en en paraboloides de distintas alturas y colores, como indica la figura.

Esta es una idea general, falta desarrollarla más y comprobar experimentalmente que se cumple lo que dice la teoría. Consideramos que es un fenómeno interesante que llamaría la atención del público del MIM además de enseñar parte de la teoría de la mecánica de fluidos.

Primera reunión de grupo y la noria de agua de Lorenz

La primera reunión de grupo se realizó el día 18 de Abril.
En ésta, se delegaron las responsabilidades de cada integrante y se empezó el diseño del Blog. Se acordó también que la primera visita al MIM será el martes 28 de Abril.

Además, en esta reunión se empezó a investigar acerca de fenómenos interesantes de la Mecánica de Fluídos.

Uno de los encontrados fue el siguiente:

La noria de agua de Lorenz

Este fenómeno consiste en un ejemplo simple de movimiento caótico, que en el fondo, es un movimiento "impredecible".
El modelo consiste en una rueda, a la que se le adjuntan vasos (o recipientes) que pueden botar agua (como muestra la figura).
Lo interesante es que al verter agua sobre los vasos, la rueda empezará a moverse de forma impredecible. La rueda puede mantenerse en reposo, puede girar constantemente hacia un lado, puede girar alternadamente hacia ambos lados, o simplemente rotar de forma absolutamente caótica.
Esto se puede ver en el siguiente video.

Este fenómeno es muy interesante del punto de la física, ya que ilustra un movimiento impredecible. Sin embargo, tiene la desventaja de que puede ser poco interesante para el público del MIM.

Para leer más acerca del movimiento caótico, ver aquí (wikipedia).

Para leer más acerca de la noria de Lorenz, ver los siguientes links:

Blog en español que habla acerca de la noria de Lorenz
Página en ingles que habla acerca de teoría del caos y la noria de Lorenz

Repartición de tareas

Las principales tareas (y sus encargados) son las siguientes:

• Administración del Blog: Si bien todos los integrantes del grupo podemos actualizar el blog, el encargado principal de la actualización y mantención del blog será Jorge Faundes, quien revisará la redacción y estructura de cada post, además de estar encargado de revisar que el blog sea actualizado periódicamente.
  

• Lluvia de ideas: Todos tendrán la obligación de pensar ideas e investigar acerca de fenómenos interesantes de la mecánica de fluídos, ya sea en líquidos o gases. La idea final será escogida por todos los miembros del grupo.
  

• Desarrollo del proyecto: Después de ser elegida la idea, los encargados de la planificación teórica del proyecto serán Nicole David y Jorge Faundes, mientras que el encargado principal de la construcción y puesta a prueba del modelo será Rodrigo Gana.
  

• Administración de fondos: El encargado de mantener las cuentas del dinero gastado, y de cuidar los fondos otorgados por la universidad será Rodrigo Gana. También será el encargado de cotizar los materiales para la construcción del proyecto.
  

• Elaboración informes: Todos los integrantes estarán encargados de escribir las distintas partes de cada informe. Sin embargo, la coordinadora principal será Nicole David.

• Organización reuniones: El encargado de organizar las reuniones de grupo, visitas al MIM y reuniones con el profesor o ayudantes (en caso de ser necesarias) será Jorge Faundes.
  

Objetivos y metas

Los objetivos y metas de nuestro grupo para el proyecto son las siguientes:

• Hacer un proyecto que logre mostrar un fenómeno interesante de la mecánica de fluidos.
  

• Que nuestro proyecto sea capaz de captar la atención del público del MIM, tanto niños como adultos.
  

• Que el proyecto funcione de la mejor manera posible, lo que nos permita obtener una buena evaluación.
  

• Aprender, mediante la investigación, acerca de los distintos aspectos de esta ciencia.
  

• Aplicar los conceptos teóricos (vistos en clases) de forma práctica mediante la realización de un modelo.
  

• Lograr un buen trabajo en equipo, que sea equitativo y justo.
  

Presentación y Bienvenida

Hola!
Bienvenidos a nuestro blog.
Somos tres alumnos de tercer año de Ingeniería Civil de la Pontificia Universidad Católica de Chile y juntos conformamos el grupo 48 de Mecánica de Fluidos.
Los integrantes del grupo somos:

1. Nicole David
2. Jorge Faundes
3. Rodrigo Gana
   

El fin de este blog es ir informando los avances de nuestro proyecto semestral, el cual consiste en construir un dispositivo capaz de ilustrar en forma educativa un fenómeno de la mecánica de fluídos (las bases del proyecto se pueden encontrar en la sección de links en la barra de la derecha).
Al final de semestre se hará una evaluación con los profesores, quienes decidirán cuales son los mejores proyectos para presentarlos en el Museo Interactivo Mirador (www.mim.cl).

Esperamos que este blog cumpla con su objetivo de forma educativa y entretenida!