Presupuesto:

Aca les presentamos el presupuesto obtenido para la construccion del prototipo.

Diseño Final

Nombre: "¿Cuál brilla más?"


Descripción:

Dos estanques de ensayo con iguales dimensiones, mismo diámetro y altura, son ubicados verticalmente sobre una base. Cada uno tendrá una altura de agua distinta. Cada uno de ellos posee un agujero en la parte inferior, por donde saldrá un chorro de agua, el cual pondrá en acción a una turbina. Cada una de estas turbinas estará conectada a un dínamo el cual generará energía suficiente para encender una ampolleta eléctrica pequeña. Se pretende demostrar la diferencia entre las velocidades de salida del agua en cada uno de los estanques, a través de la luminosidad de cada ampolleta.

Especificaciones:

- 2 tubos PVC. (estanques) de 2 m. de altura y 16 cm. de diámetro, agujerados a 5 cm. de la base (agujero de 7 mm. de diámetro aproximadamente). La medida del diámetro del agujero puede variar según los resultados que obtengamos en los ensayos.
- 2 dínamos pequeños.
- 2 turbinas. Durante los ensayos decidiremos la forma y material de las aspas. Es posible que estén fabricadas a base de madera (palos de helado) o bien, plástico (pequeñas cucharas).
- 2 ampolletas de potencia a definir mediante los ensayos.
- 2 tapones para los orificios, unidos con una cadena, de manera que sea posible destapar ambos al mismo tiempo (es posible que los tapones sean reemplazados por un sistema de llaves de paso).

.



Funcionamiento:


Nos aseguramos que los orificios estén bien cerrados, las turbinas ubicadas por donde saldrá el chorro y las ampolletas conectadas correctamente.
Se llena el Estanque 1 hasta una altura de 1.90 m. y el Estanque 2 hasta 1.40 m (propenso a cambios).
Se destapan ambos orificios a la vez y observamos como las turbinas al girar, generan electricidad capaz de encender las ampolletas, aunque con distinta luminosidad provocada por la diferencia de altura del agua en cada estanque.

Otras consideraciones

En base al objetivo perseguido, decidimos evaluar los tamaños y características de las ampolletas a encender, es necesario que se pueda observar las distintas intensidades que provocan las diversas velocidades de chorro, además claramente al ser un prototipo la fuerza que lograremos con el chorro no es suficiente para encender ampolletas muy grandes o luminosas, para esto fuimos a un local comercial enfocado a distintos aspectos de la electrónica, y pedimos una pequeña muestra de las ampolletas con que ellos contaban, claramente al ser una local comercial no obtuvimos una gran muestra, a pesar de esto logramos aproximar de cierta forma las características de las ampolletas, las cuales las conseguiremos de un auto de juguete perteneciente a uno de los integrantes.

Respecto al dinamo hemos evaluado los típicos dinamos de bicicleta, pero la verdad es que estos requieren una no despreciable fuerza, principalmente de inicio, esto lo comprobamos observando que se sentía un pequeño esfuerzo extra, es por esto que buscando en varios locales comerciales, hemos averiguado que podemos conseguir uno que necesite un menor esfuerzo, que sabemos que no es tan grande el provocado por el chorro, además necesitamos una mayor sensibilidad del sistema para que se demuestre en la experiencia las diferencias por las velocidades de los chorros.

Ensayos de Desempeño

Nuestro primer ensayo consistio en verificar empiricamente, que con diferentes alturas de agua, se logra mayor potencialidad.
Nuestro ensayo consistio en llenar de agua una botella hasta una altura determinada y observamos la distancia a la que cae el chorro desde el orificio. Luego, llenamos aun más la botella para subir la cota geometrica. Pudimos observar que la distancia a la que cae el agua con una altura de agua más grande es mayor, con lo que pudimos concluir que a mayor altura geometrica mayor velocidad de salida del fluido. Es por esto la idea de utilizar los tubos de PVC puesto que se puede alcanzar mucha altura con poco volumen.

Podemos observar, a través, de esta secuencia de fotos, como la distancia a la que cae el chorro, disminuye a medida que baja la altura del agua.

Finalmente con una muy pequeña altura, ya no hay velocidad de salida del chorro.

Cumplimiento de las Condiciones de Diseño

¿Qué nos pidieron?
- Un dispositivo sin restricciones de tamaño, materiales y forma
- Costo total de materiales : 20.000 pesos
- Diseño útil para interactuar con él
- Un dispositivo educativo
- Un dispositivo resistente y que no presente riesgos a los usuarios

¿Cómo lo solucionamos?

- La primera “restricción” está completamente solucionada, adjuntamos las medidas y forma del dispositivo para convencerse
- PRESUPUESTO
- Es un dispositivo entretenido que presenta al usuario posibilidades de poner en funcionamiento y observar qué está sucediendo gracias a su acción en el dispositivo. Específicamente, el usuario deberá presionar un botón que liberará dos tapones, los cuales al salir provocarán la salida de un chorro de agua con velocidad tal para lograr hacer girar una turbina, esta última estará conectada a un dínamo el cual provocará la transformación de energía mecánica en energía eléctrica, reflejada en la luminosidad de una ampolleta casera que será la última conexión establecida.
- Repasando:
1º se saca el tapón y sale agua del estanque
2º el agua sale propulsada por presión a través de un agujero
3º el chorro de agua hace girar una turbina
4º la turbina provoca energía mecánica traspasada a un dínamo
5º la energía mecánica se transforma en energía eléctrica gracias al dínamo
6º se enciende la ampolleta conectada al dínamo

- Quizás lo más entretenido de este dispositivo es que el observador-interactivo podrá verificar las diferencias de luminosidad entre una ampolleta y otra, lo que será explicado por el concepto de altura de presión, reflejada en energía

- Este es un dispositivo educativo puesto que refleja propiedades de los fluidos en la tierra y permite observar nítidamente la transformación de energía mecánica, producida por un chorro, en energía eléctrica, reflejada en la ampolleta

- El dispositivo es resistente por los materiales que acarrea, es importante recalcar que para su implementación en el MIM se necesitará esté encubado en una reja de vidrio o plástico duro para evitar el contacto del usuario con la ampolletas, elemento muy frágil como sabemos.

¿ Cuál brilla más ?

Tres estanques de ensayo con iguales dimensiones, mismo diámetro y altura, son ubicados verticalmente dentro de un contenedor, ambos con una misma altura de agua. Cada uno de ellos posee un agujero en la parte inferior, de distinto diámetro cada uno, por donde saldrá un chorro de agua el cual pondrá en acción a una turbina. Cada una de estas turbinas estará conectada a un dínamo el cual generará energía suficiente para encender una pequeña ampolleta eléctrica. Se pretende demostrar la diferencia entre velocidades de salida del agua en cada uno de los estanques, a través de la luminosidad de cada ampolleta.

Fenómenos asociados:
- Relación entre el diámetro y la velocidad de salida bajo una misma presión.
- Generación de Energía Hidroeléctrica.

Especificaciones:
- 3 estanques cilíndricos de 1.5 mts de altura x 20 cms de diámetro, agujerados en la parte inferior, cada orificio de distinto diámetro (a definir durante los ensayos).
- 3 dínamos pequeños
- 3 turbinas de aspas cóncavas
- 3 ampolletas de potencia a definir mediante los ensayos

Viabilidad:
Creemos que idea es muy viable, y al mismo tiempo bastante interesante para el público infantil. Los materiales son relativamente baratos y por sobre todo, accesibles. Además, la construcción del artefacto tampoco representa un desafío imposible. De manera que este diseño también tiene posibilidades de ser el escogido por el grupo para desarrollarlo como proyecto definitivo.

Balancín Hidraulico

Se pretende demostrar didácticamente la conservación de la presión en un sistema cerrado compuesto por dos vasos o émbolos comunicantes, en otras palabras, una prensa hidráulica. Para esto, se construirá un "balancín", que en realidad corresponde a dos émbolos, uno de diámetro considerablemente grande y el otro más bien pequeño, en cuyas superficies se pararán los participantes. Entonces, la idea es demostrar este fenómeno haciendo que un niño levante a un adulto; para esto, el adulto debe ubicarse sobre el émbolo grande, y luego el niño de subirse al émbolo pequeño. Se espera que el niño sea capaz de levantar al adulto, a pesar de la gran diferencia entre sus pesos corporales.

Fenómenos asociados:

- Relación de fuerzas y conservación de la presión en una prensa hidráulica.

Especificaciones:

- Pistón de acero de diámetro pequeño (aproximadamente 30 cm.).

- Pistón de acero de un diámetro considerablemente grande (aproximadamente 1 mt.)

- Mangueras o tuberías comunicadoras.

Viabilidad:
A pesar de que este diseño sería de gran interés para el público, también creemos que es poco viable por varias razones: primero, la construcción es demasiado compleja y requiere de especialistas en dispositivos metálicos, hidráulicos, etc. Además los materiales son considerablemente caros. Sin embargo, conservaremos este diseño como alternativa hasta que tomemos una decisión final.

Cola de Tigre

El objetivo es demostrar como los líquidos de distintas densidades flotan uno sobre otro, formando capas. Para esto se dispondrá de un estanque transparente en el que se introducirán líquidos de distintas densidades (previamente colorados para poder apreciar el fenómeno de mejor manera), como por ejemplo, agua, alcohol, aceite, glicerina, miel, etc. La idea es que los asistentes además de observar las capas tengan la posibilidad de realizar ciertas actividades en el estanque, tales como revolver los fluidos y observar como éstos vuelven a formar las capas, o introducir objetos con densidades diversas y observar como éstos quedan flotando en las distintas capas.

Fenómenos asociados:
- Densidad de los fluidos.
- Relación entre la densidad de un objeto y la de un fluido (flota o se hunde).



Especificaciones:
- Estanque transparente, aproximadamente de 50 cm. de largo y 20 cm. de diámetro.
- Líquidos de distintas densidades: Miel, glicerina, agua, aceite alcohol, etc.
- Objetos de distintas densidades que se encuentren en los intervalos de diferencia de las densidades de los líquidos.
- Colorantes.

Viabilidad:
Los materiales se pueden obtener fácilmente y por un bajo precio. La confección es más bien sencilla y el diseño posee un gran atractivo visual. Sin embargo aún se pueden hacer mejoras, por ejemplo, mejorar la interacción del usuario con el dispositivo para que sea más entretenido, etc. Es por todo esto que creemos que esta alternativa tiene muchas posibilidades de convertirse en el diseño definitivo.

Principio de Bernoulli

Algo más de teoría:


Teorema de Bernoulli:

El estudio de la dinámica de los fluidos fue bautizado hidrodinámica por el físico suizo Daniel Bernoulli, quien en 1738 encontró la relación fundamental entre la presión, la altura y la velocidad de un fluido ideal. El teorema de Bernoulli demuestra que estas variables no pueden modificarse independientemente una de la otra, sino que están determinadas por la energía mecánica del sistema.


Noten que, como los puntos 1 y 2 son puntos cualesquiera dentro de la tubería, Bernoulli pudo demostrar que la presión, la velocidad y la altura de un fluido que circula varían siempre manteniendo una cierta cantidad constante, dada por:


Ecuación importante para observar el comportamiento de un chorro a diferentes alturas de un tanque.


Además sabemos que en un fluido ideal se cumple que el volumen que pasa por dos puntos es igual (conservación del caudal), por esto se produce una relación entre el área por donde pasa el fluido y su velocidad, claramente en un área mayor la velocidad es menor para que pase el mismo caudal o volumen que en un punto con menor área. (Efecto Venturi)



Por esto es posible que al variar las áreas de los agujeros en el fondo del tanque, los chorros tengan distinta velocidad.

Principio de Pascal

Un poco de teoría:

Principio de Pascal:

Un fluido en reposo en contacto con la superficie de un sólido ejerce fuerza sobre todos los puntos de dicha superficie. Pero en el estudio de fluidos se requiere saber como es y cómo se distribuye la fuerza, por eso la trataremos en base a la presión.
Siendo la presión el cociente entre el módulo de la fuerza ejercida per­pendicularmente a una superficie y el área de ésta.

La característica estructural de los fluidos hace que en ellos se transmitan presiones, a diferencia de lo que ocurre en los sólidos, que transmiten fuerzas. Este comportamiento fue descubierto por el físico francés Blaise Pascal (1623-1662), quien estableció el siguiente principio:

“Un cambio de presión aplicado a un fluido en reposo dentro de un recipiente se transmite sin alteración a través de todo el fluido. Es igual en todas las direcciones y actúa mediante fuerzas perpendiculares a las paredes que lo contienen”.

El principio de Pascal fundamenta el funcionamiento de las genéricamente llamadas máquinas hidráulicas: la prensa, el gato, el freno, el ascensor y la grúa, entre otras.

Por ejemplo la prensa hidráulica:

Por principio de Pascal la presión es igual en las dos secciones por lo que la fuerza en un pistón partida su área, es igual a la fuerza en el otro pistón dividida por su área. En base a esto la fuerza producida en el pistón de mayor área por causa de presionar el pistón pequeño, es igual a la fuerza ejercida por la relación de las áreas. Ósea podemos hacer fuerzas mayores gracias al principio de Pascal.

Es por esto que podrá ser posible que un niño logre levantar a su padre, siendo que su peso es considerablemente menor al de su padre.