Grupo 19 - PROYECTO MECÁNICA DE FLUIDOS PUC

DISEÑO SELECCIONADO Y PLAN DE TRABAJO

2008-05-23T17:25:00.000-07:00

4.1 Elaboración de la Solución

- Para obtener mayor velocidad: Disminuir la resistencia que opone el agua cuando la embarcación se esté desplazando.

Para eso, se necesita que la proa (parte delantera del barco) sea lo más afinada (en otras palabras, más puntiaguda) posible, ya que la proa es la que ofrece la menor resistencia al agua. Cuanto menor es la superficie que choca contra el agua, menor es la resistencia y, en consecuencia, mayor es la velocidad.

Además, al igual que la proa, y a fin de evitar remolinos y pérdida de energía, la popa (parte trasera) también debe ser afinada.

He escogido utilizar la proa tipo maier o de cuchara, que es una proa lanzada, con forma en v, muy abierta, que presenta buenas características marineras. Ésta proa penetra en el agua y rompe las olas de cierto tamaño, permitiendo un mejor avance de la embarcación. La desventaja de este tipo de proa es que el barco se vuelve más inestable cuando está parado, pero eso no representa un gran problema para el propósito de este proyecto, ya que el barco va a estar un tiempo demasiado corto parado.

- Para obtener mayor estabilidad: La embarcación debe poseer ciertas cualidades esenciales que le permitirán mantenerse estable mientras se desplaza, como:

La solidez, lo que implica una estructura del casco (armazón del barco) robusta para resistir los esfuerzos producto de la acción de los posibles diferentes estados de la corriente de agua y del peso que transporta.

2. La estanqueidad, que evita que entre agua en el interior del barco.

3. La flotabilidad, que le permite al barco mantenerse a flote a pesar de que algunas de sus partes se encuentren inundadas. La flotabilidad se ve favorecida por una buena división estanca de su interior, así como una obra muerta elevada.

4. La estabilidad, que permite que la embarcación vuelva a su posición de equilibrio por sí misma, cuando ha sido desplazado de ella por un agente externo. Influyen en la estabilidad los pesos y la forma del barco.

5. La velocidad, que va en función de las forma del barco, de la potencia y del medio de propulsión.

6. La facilidad de gobierno, que es una característica que se requiere en razón de la necesidad de movimiento del buque en todas las direcciones.

Por eso he considerado en ocupar como material para el casco de mi embarcación el aluminio. Éste material posee una mayor resistencia, lo que se traduce en menos averías. El aluminio, gracias a su elevada ductilidad, es uno de los metales que menos se fracturan, y no da problemas de fisuración. Además posee una mayor rigidez, por lo que se tendrá una estructura totalmente compacta que producirá una gran rigidez estructural, traduciéndose en menores fatigas del material y por tanto en una mayor seguridad y posibilidad de soportar estados del agua más duros. Posee también una mejor estanqueidad y al ser un material muy ligero, supone una mejor maniobrabilidad.

- Para poder impulsar al barco: Al desplazarse el barco a cierta velocidad, éste va a encontrar una fuerza en el agua que lo va a frenar, y para que mantenga una velocidad uniforme, es necesario proporcionarle una fuerza o potencia definida como la resistencia total al avance. Ésta resistencia va a estar proporcionada por la corriente de aire y los mástiles cilíndricos. Y ésta potencia es la que va a impulsar al barco para que se desplace con cierta velocidad. Por lo que:

Potencia propulsiva = Resistencia total al avance = Resistencia friccional + Resistencia por oleaje + Resistencia de remolino (o presión de estela) + Resistencia al viento.

Donde,
La potencia propulsiva es la potencia necesaria para llevar el barco a una determinada velocidad. La resistencia friccional se genera por el frotamiento de la superficie de la obra viva del casco con el agua. Depende de la eslora en flotación (dimensión del largo del barco, desde la proa hasta la popa, excluyendo el púlpito de proa). La resistencia por oleaje es la que se produce por el empuje al desplazarse el casco sobre el agua, se producen dos trenes de olas (uno en proa y otro en popa) que permanecen en el agua una vez que el barco ha pasado y se van disipando progresivamente.

La velocidad constante del barco depende principalmente de la eslora en flotación, el desplazamiento y la forma de la carena (parte sumergida del barco). Se llega a una velocidad máxima para el casco, que no puede ser superada a menos que se produzca el planeo de la carena. El planeo corresponde a la salida del agua de parte de la carena, disminuyendo así el agua que desplaza. Así se produce un estancamiento en el crecimiento de la resistencia por oleaje con la velocidad, de forma que una vez superada la velocidad umbral de planeo del casco, el aumento de la resistencia es pequeño, lo que permite alcanzar velocidades muy altas con poco aumento de la potencia propulsiva.
Por lo que mi diseño se basa en que posea una eslora larga, porque la velocidad de mi barco aumentará conforme aumenta la eslora.

- Para minimizar resistencia del agua: Se podría utilizar en la proa del barco unos disipadores de rozamiento, utilizando un trozo de doble casco que actué como disipador. A la popa también podría instalarse ese dispositivo. El problema de este dispositivo es que afecta a la flotabilidad y estabilidad del barco.

- Para maximizar la potencia entregada por el aire: El concepto de Efecto Magnus es el que me permite solucionar esto. Ya que barcos impulsados por este efecto tienen mayor potencia que ciertos barcos de otra índole.

El efecto Magnus nos dice que si giramos un cilindro expuesto al viento, el rozamiento de la superficie del cilindro con el aire, acelera la capa de aire en una cara y disminuye la contraria, por lo que una cara va a tener mayor velocidad que la otra, originándose una diferencia de presión entre ambas caras, y esta diferencia de presión es la que "chupa" y produce un empuje propulsor. Es importante recordar la ecuación de Bernoulli, ya que el efecto Magnus tiene su base en ésta., que dice que si el aire se mueve mas rápido, sus moléculas tienen menos tiempo para chocar y ejercer presiones en su entorno, lo que implica una disminución de la presión.

4.2 Una descripción física del diseño previsto

Mi embarcación se parecerá relativamente a esta

4.3 Plan de trabajo final

Por lo mismo que comente anteriormente, yo voy a hacer todo. La organización depende de mí exclusivamente, y como me quedé sola hace poco no tengo un plan de trabajo definido todavía.

IDENTIFICACIÓN DE METAS Y DIFICULTADES

2008-05-23T17:10:00.000-07:00

- Trabajar en equipo: Ésta ha sido una de las dificultades más grandes. La organización ha sido muy complicada porque, por una parte, somos compañeros de distintos años de ingeniería por lo que estamos cursando distintos ramos, por lo que tener tiempo libre en común ha sido difícil; y por otra parte, el hecho de que el ramo se puede botar ha impedido que continuemos siendo los 4 integrantes y seamos menos ahora, de hecho, he quedado prácticamente sola.

- Creatividad e ingeniosidad en diseño y cumplir requisitos a la vez: Ser creativa y de igual manera ingeniosa en cuanto al diseño de la embarcación para tratar de crear una que se desplace lo más rápido posible, ya que esa es la finalidad del proyecto y de la competencia. Por lo que es necesario estudiar bien sobre el tema, recopilando la información necesaria sobre cómo maximizar la potencia del aire entregada a la embarcación y sobre esto basarme para realizar el diseño. La creatividad es una dificultad y al misma tiempo una meta. Dificultad, ya que tan creativa no se puede ser, ya que estoy limitada a ciertas restricciones. Además, para cumplir con el propósito, es necesario seguir ciertos patrones ya establecidos para el diseño. Por lo que es una meta tratar de ser lo más creativa posible dentro de éstos límites.

- Hacer que embarcación se mantenga estable frente a externalidades: Es importante estudiar los posibles agentes externos que impidan la correcta navegación de la embarcación (posibles corrientes de aire adicionales, posible movimiento brusco del agua, entre otros.) e idear soluciones para paliar los efectos de éstos.

- Terminar construcción en plazo de tiempo estipulado: Las distintas obligaciones como estudiante limitan la cantidad de horas a trabajar en éste proyecto, por lo que hay que organizarse oportunamente para cumplir dentro de éste plazo. Además, entre más temprano sea la finalización del diseño y construcción de la embarcación, más oportunidades se tiene de ponerlo en ejecución y ver posibles imperfectos y/o errores y así idear soluciones a éstos.

- No sobrepasar presupuesto: Existe un presupuesto máximo de $15.000 pesos. Una restricción presupuestaria limita algunas ideas para la construcción de la embarcación, ya que seme restringe cierta utilización de material.

Las metas son claras, quiero realizar la mejor embarcación teniendo en consideración las distintas dificultades, para eso tengo por objetivo ser rigurosa, metódica, ordenada y puntual.

DEFINICIÓN DEL PROYECTO Y PROCESO DE DISEÑO

2008-05-23T17:08:00.000-07:00

Objetivos Proyecto:

- Acercarse al proceso de diseño de ingeniería: Definir problema, analizar, sintetizar, evaluar, construir y medir.

- Aprender a trabajar en equipo: Repartir tareas, planificar.

- Comunicar resultados: Informes, blogs.

Definición Proyecto:

El proyecto de este semestre consiste en estudiar el efecto Magnus para una embarcación.
Para esto, se debe diseñar y construir una pequeña embarcación que sea capaz de desplazarse sobre un canal del DIHA debido al efecto Magnus.

Esta embarcación contará con ciertas restricciones en cuanto a la potencia disponible para impulsarla y presupuesto.

El proyecto termina con una competencia entre los grupos.

Proceso de Diseño:

Elementos característicos de la embarcación:

- Costo de los materiales empleados para su fabricación no debe sobrepasar los $15.000.

- La embarcación debe contar con dos mástiles cilíndricos de diámetro D=50mm y dos motores, proporcionados por el DIHA.

Condiciones de funcionamiento:

- La línea de flotación debe estar entre 4 cm y 6 cm de la cubierta.

- El volumen desplazado por la embarcación debe ser superior a 200 cm3.

- Debe permanecer estable frente a agentes externos, sin volcarse lateral ni longitudinalmente, por lo que su eje principal debe permanecer horizontal.

- La embarcación debe ser diseñada para desplazarse sobre el agua minimizando las fuerzas hidrodinámicas contrarias a su movimiento. La potencia para moverlo se obtendrá a partir de una corriente de aire que soplará sobre los mástiles rotativos de la embarcación.

- La embarcación será probada en un canal del laboratorio del DIHA

Consideraciones a evaluar:

- Se debe aprovechar la energía proporcionada por la corriente de aire para lograr la mayor velocidad de desplazamiento en la embarcación, aprovechando las diferencias de presiones que se generarán sobre los mástiles en rotación.

- La embarcación debe desplazarse en forma controlada sin desviarse.

- La embarcación debe ser capaz de recorrer cierta distancia determinada en el canal.

- La embarcación debe contar con todos los elementos necesarios para lograr la estabilidad y comportamiento hidrodinámico pedidos.

UN POCO ACERCA DEL EFECTO MAGNUS...

2008-04-24T16:41:00.000-07:00

El efecto Magnus, denominado así en honor al físico y químico alemán Heinrich Gustav Magnus (1802-1870), es el nombre dado al 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 límite 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.

Un objeto en rotación crea un remolino de aire a su alrededor. Sobre un lado del objeto, el movimiento del remolino tendrá la misma dirección que la corriente de aire a la que el objeto está expuesto. En este lado la velocidad se incrementará. En el otro lado, el movimiento del remolino se produce en la dirección opuesta a la de la corriente de aire y la velocidad se verá disminuida. La presión en el aire se ve reducida desde la presión atmosférica en una cantidad proporcional al cuadrado de la velocidad, con lo que la presión será menor en un lado que en otro, causando una fuerza perpendicular a la dirección de la corriente de aire. Esta fuerza desplaza al objeto de la trayectoria que tendría si no existiese el fluido.

En la imagen, en la que una esfera observada desde arriba se está desplazando hacia la derecha (por lo que la velocidad del aire circundante respecto de la esfera va hacia la izquierda) y gira en el sentido de las agujas del reloj, la velocidad del aire en el punto más bajo de la esfera aumenta por el arrastre de ese giro. Asimismo, en el punto más alto, el giro de la esfera se opone a la corriente de aire y frena esta corriente. De ahí que en el punto más bajo de la esfera aparezca una pérdida de presión respecto del más alto que impulsa a la esfera hacia abajo.

METODOLOGÍA DE TRABAJO

2008-04-21T18:57:00.000-07:00

Durante el semestre, abordaremos el proyecto en 3 etapas esenciales:

1. INVESTIGACIÓN.

En esta etapa, recopilaremos toda la información necesaria respecto al Efecto Magnus y al diseño de embarcaciones, para dar inicio posteriormente a la segunda etapa del proyecto.

2. DISEÑO.

En esta etapa formularemos varias alternativas de diseño, considerando las restricciones dadas a principio de semestre. Al final de esta etapa, deberemos tener un diseño definitivo que deberemos implementar durante la etapa siguiente.

3. CONSTRUCCIÓN.

Esta última etapa consistirá por una parte, en la construcción del dispositivo diseñado en la etapa anterior, y por otra parte, esta implementación se verá reflejada en la competencia final, donde todos los grupos mostrarán sus embarcaciones y el trabajo realizado durante el semestre.

BIENVENIDOS!

2008-04-21T08:11:00.000-07:00

Bienvenidos a nuestro BLOG, somos el grupo 19.

Somos Sergio Carrasco, Carolina González y Magdalena González.

Somos Alumnos de Ingeniería civil de la PUC y estamos cursando el curso Mecánica de Fluidos.

A modo de acercar a los alumnos al proceso de diseño de ingeniería y al mismo tiempo, prepararlos para futuros trabajos en equipo, todos los semestres se debe realizar un proyecto grupal, el cual consiste en la construcción de un dispositivo que permita aplicar en forma práctica los conocimiento adquiridos durante el curso.

El objetivo del proyecto de este semestre consiste en estudiar el efecto Magnus para una embarcación.
Para esto, se debe diseñar y construir una pequeña embarcación que sea capaz de desplazarse sobre un canal del DIHA debido al efecto Magnus.

Esta embarcación contará con ciertas restricciones en cuanto a la potencia disponible para impulsarla, la cual se obtendrá de una corriente de aire, y presupuesto, de unos $15.000 pesos. En cambio, en cuanto a materiales utilizados, dimensiones o forma de la embarcación se no hay ningún impedimento, sólo que debe poseer 2 mástiles cilíndricos, de unos 50 mm de diámetro, conectados a pequeños motores que los van a hacer girar.

Además, el diseño de la embarcación debe permitir que permanezca estable frente a agentes externos, es decir, sin volcarse, por lo que su eje principal debe permanecer siempre horizontal, y además, permitir aprovechar de mejor manera la potencia para lograr la mayor velocidad de desplazamiento, ya que el proyecto termina con una competencia entre los grupos.

Para conseguir lo propuesto, nosotros como grupo, debemos organizarnos de la mejor manera posible para que nuestro rendimiento sea lo mas eficiente posible, sin embargo, queremos trabajar como equipo, es por esto que, a pesar de que nos dividiremos las tareas a su debido tiempo, la idea fundamental es que todos participemos del desarrollo y de todas las etapas del proyecto, desde la investigación hasta la construcción del dispositivo, de manera tal, que todos y cada uno de nosotros sea parte de este proyecto.