CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA -CONCYT- SECRETARIA NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA -SENACYT-

FONDO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGIA -FONACYT- UNIVERSIDAD DEL VALLE DE GUATEMALA -UVG

INFORME FINAL

ELABORACIÓN DE UN VEHÍCULO DE OPERACIÓN REMOTA PARA LA INVESTIGACIÓN DE ECOSISTEMAS ACUÁTICOS Y MARINOS

PROYECTO FODECYT No. 121-2006

ERICK TIJERINO CAMPOLLO Investigador Principal

GUATEMALA, JUNIO DE 2011

OTTO AYALA BARRERA RUTH CASTILLO IVETH RAMIREZ JORGE URIZAR

Investigadores Asociados

AGRADECIMIENTOS: La realización de este trabajo, ha sido posible gracias al apoyo financiero dentro del Fondo Nacional de Ciencia y Tecnología -FONACYT-, otorgado por la Secretaría Nacional de Ciencia y Tecnología -SENACYT- y al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología -CONCYT-.

OTROS AGRADECIMIENTOS Gracias al apoyo financiero y técnico de la Universidad del Valle de Guatemala -UVG-, y al apoyo financiero de la Asociación de Biología Marina de Guatemala -ABIMA-. A nuestras familias y a todas las personas que nos ayudaron desde el primer día a lo largo de esta travesía. .

TABLA DE CONTENIDOS

Página

Resumen 1 Abstract 2

PARTE I I.1 INTRODUCCIÓN 3

I.1.1 Descripción del Sistema y sus Componentes 4 I.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 6

I.2.1 Antecedentes en Guatemala en Relación al Tema 6 I.2.2 Justificación del Trabajo de Investigación 7

I.3 OBJETIVOS 8 I.3.1 Objetivos Generales 8 I.3.2 Objetivos Específicos 8

I.4 METODOLOGÍA 8 I.4.1 Localización 8 I.4.2 Variables 8 I.4.2.1 Variables Dependientes 9 I.4.2.2 Variables Independientes 9 I.4.3 Configuración del Vehículo y Diseño Preliminar 10 I.4.4 Materiales Utilizados en la Fabricación del Vehículo 12 I.4.5 Elección de los Componentes del Vehículo 13 I.4.6 Diseño Final 13 I.4.6.1 Análisis de Resistencia del Compartimiento de Equipo

Electrónico 14

I.4.7 Fabricación del Vehículo 15 I.4.8 Pruebas del Sistema 16 PARTE II MARCO TEÓRICO

II.1 Arrastre por Fricción 18 II.2 Arrastre de Forma 18 II.3 Fuerza de Flotación 19 II.4 Centro de Masa 19 II.5 Centro de Flotación 20 II.6 Estabilidad de un Objeto Sumergido 20 II.7 Principio de Pascal 20

II.8 Presión Hidrostática 21 II.9 Biodeterioro y Protección de Madera 22

II.10 Corrosión y Oxidación 22 II.11 Temperatura 24 II.12 Armadura 25 II.13 Método de Elementos Finitos 26 II.14 Sujetadores Roscados 30

PARTE III RESULTADOS

III.1 Características del Vehículo 31 III.2 Resultados de las Pruebas 33

III.2.1 Resultados de las Pruebas de Operación 33 III.2.2 Resultados de las Pruebas de Campo 35 III.2.2.1 Prueba de Inmersión a Gran Profundidad en el Lago

de Atitlán 35

III.2.2.2 Prueba de Operación en el Lago de Amatitlán 36 III.3 Discusión de Resultados 37

PARTE IV

IV.1 Conclusiones 39 IV.2 Recomendaciones 40 IV.3 Referencias Bibliográficas 41 IV.4 Anexos 43

IV.4.1 Anexo 1: Reportaje de Prensa Libre 43 IV.4.2 Anexo 2: Especificaciones del Equipo Electrónico 44 IV.4.3 Anexo 3: Descripción de la Configuración de los Motores

Propulsores 46

PARTE V

V.1 Informe Financiero 48

LISTA DE ILUSTRACIONES

Página

I.1 Vista Frontal y Trasera del Vehículo 4 I.2 Vista Lateral e Inferior del Vehículo 5 I.3 Esquema del Sistema 6 I.4 Diseños Preliminares 11 I.5 Diseño Final del Vehículo 14 I.6 Fotografías del Ensamble Final 16 I.7 Variación de Temperatura en Océanos 24 I.8 Variación de Temperatura en Océanos vrs Tiempo 25 I.9 Fotografía de Prueba de Funcionamiento 35

I.10 Fotografía al Concluir la Prueba de Inmersión 36 I.11 Prueba de Funcionamiento en Amatitlán 37

LISTA DE TABLAS

Página T.1 Propiedades Mecánicas de la Especie Teca (Tectona Grandis) 12 T.2 Resultados del Análisis del Compartimiento de Equipo de Control 15 T.3 Resultados del Análisis da la Tapa del Compartimiento de Equipo de

Control 15

T.4 Dimensiones y Peso del Vehículo 31 T.5 Materiales que Componen el Vehículo 31 T.6 Equipos que Conforman el Vehículo 32 T.7 Características de Operación 32 T.8 Mediciones de Velocidad de Avance 34 T.9 Mediciones de Velocidad de Inmersión 35

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RESUMEN Con el fin de promover el desarrollo de tecnología en Guatemala y colaborar con la preservación ambiental se ha diseñado y construido el primer Vehículo Submarino de Operación Remota en Guatemala. La metodología del diseño y construcción del vehículo fue llevada a cabo en función de satisfacer las necesidades específicas que surgen en la realización de estudios de vida subacuática, necesidades como la maniobrabilidad y versatilidad del vehículo, así como las dimensiones y peso adecuados para su fácil transporte y operación además de un bajo costo. El material estructural es madera de la especie Teca (Tectona Grandis), por su favorable relación entre resistencia mecánica y densidad, así como su resistencia a la humedad y bajo costo. Se utilizó una aleación de aluminio 6061 para la fabricación del compartimiento que resguarda el equipo electrónico de control, se seleccionó este material por sus buenas cualidades de conformado, bajo peso y alta resistencia mecánica. El vehículo posee una alta maniobrabilidad gracias a su configuración de cinco propulsores submarinos, un propulsor de profundidad y cuatro propulsores para el control de los movimientos horizontales de este. Esta configuración se describe detalladamente en este trabajo. El vehículo cuenta también con una cámara de video y equipo de iluminación para la observación de la vida que se encuentra bajo la superficie. En adición a esto, es posible instalar otros instrumentos a ser utilizados en los estudios de ecosistemas marinos y acuáticos, como sonares de mapeo de suelo, cámaras infrarrojas, instrumentos de medición de calidad del agua, etc. Se cuenta con un transductor de presión para conocer la profundidad a la que opera el vehículo, la profundidad máxima de operación es de ciento treinta metros de agua salada, lo cual permite realizar estudios de arrecifes de coral, que crecen a una profundidad máxima de 50 metros, y de otros ecosistemas que se encuentren a profundidades de la placa continental (profundidades menores a 140 metros). En este documento se detalla el diseño, proceso de fabricación y características del vehículo submarino de operación remota.

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ABSTRACT In an effort to promote the development of Guatemalan technology and to collaborate in the environment’s protection, we have designed and constructed the first Guatemalan Remote Operated Underwater Vehicle. The vehicle’s design and development were intended to fulfill the demands of marine biology studies, the specifications such as vehicle’s maneuverability and versatility, adequate weight and dimensions to make the transportation and operation easy, and also low cost. The material used in the vehicle’s structure is Teca (Tectona Grandis) wood; this wood has a good mechanical strength to density ratio, great resistance to humidity and low cost. Aluminum 6061 was used to fabricate the compartment that protects the electronic control equipment. Five thrusters give the vehicle maneuverability, one thruster controls the depth and the other four control the horizontal movements. The thruster configuration is explained in detail within the content of this document. The vehicle also has a video camera and lights on board, intended for marine life observation. In addition, it’s possible to install other equipment and specialized instruments used in marine biology studies, such as mapping sonar, infrared cameras, water quality measurement instruments, etc. A pressure sensor is used to determine the depth where the vehicle is maneuvering. The maximum operation depth is one hundred and thirty meters in saltwater, this allows the study of ecosystems within the continental shelf such as coral reefs, that can be found at a depths of fifty meters, maximum. This document presents the vehicle’s design, fabrication process, and main features.

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PARTE I I.1 INTRODUCCIÓN En la exploración y estudio de la vida en el mar, se han utilizado muchas herramientas que nos han permitido adentrarnos en las condiciones inhóspitas de las profundidades. Herramientas como equipos de buceo, sondas de muestreo, sonares, cámaras submarinas, vehículos autónomos, vehículos de operación remota, entre otros. Estos equipos protegen la vida de los investigadores, aumentan el alcance de sus estudios y permiten la recolección de información para su posterior análisis. Muchos de estos equipos incluso permiten que la recolección de datos se lleve a cabo inclusive sin que los investigadores ingresen al agua. Un vehículo de operación remota (VOR) es una plataforma móvil que permite llevar diversas herramientas para la recolección de datos, muestreo e incluso análisis en sitio. En Guatemala la organización no gubernamental, Asociación de Biología Marina de Guatemala (ABIMA), se ha dedicado al estudio y monitoreo de diversos sistemas subacuáticos del país, principalmente en las costas de punta de Manabique en Izabal y en el lago de Atitlán. El contar con la colaboración de una organización dedicada al estudio de la vida en ecosistemas marinos y acuáticos, permitió que el diseño del vehículo se apegara a las necesidades que surgen cuando se realizan estudios en las profundidades. Los estudios e investigaciones llevadas a cabo por ABIMA son de gran importancia para la preservación de la riqueza ecológica del país. Ellos tienen un programa de monitoreo y crecimiento de arrecifes de coral, entre otras investigaciones. Esto conlleva el aumento en las poblaciones de peces y la clarificación y purificación de las aguas marinas. El principal impacto de este proyecto será el evitar que se arriesguen innecesariamente vidas humanas, al enviar buzos a realizar observaciones y tomas de muestras que los exponen a situaciones peligrosas. El diseño y manufactura del VOR se llevaron a cabo en Guatemala, lo que reduce los costos y permite que este esté al alcance de distintas organizaciones nacionales que se estudian la vida marina y acuática. Este trabajo expone el proceso de diseño y fabricación del primer VOR para investigación de biología marina hecho en Guatemala, así como los problemas de diseño y las dificultades de fabricación. Las principales dificultades que se presentaron en este proyecto fueron la falta de proveedores de materiales y equipos para aplicaciones específicas, así como la falta de conocimiento en el ámbito guatemalteco ante la elaboración de aparatos de este tipo. Otra gran dificultad fue la transmisión de potencia eléctrica de forma eficiente y segura, así como el control electrónico del submarino fueron las dificultades principales con respecto al diseño y la fabricación del mismo. Este proyecto permitirá a las organizaciones que realizan estudios marinos y acuáticos, reducir sus costos en su esfuerzo por preservar la vida marina y fomentar el desarrollo y el crecimiento de los arrecifes de coral en las costas de Guatemala. En el caso de ABIMA, podrán minimizar el personal empleado para

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las investigaciones y utilizar los recursos ahorrados para expandir sus operaciones de monitoreo de corales del programa internacional Reef Check. Esto derivará en la regeneración de ecosistemas dañados, así como el desarrollo de un arrecife de coral en costas guatemaltecas a largo plazo. Subsecuentemente esto aumentará las poblaciones de peces en las costas de Guatemala por lo que será de beneficio para la industria pesquera de Guatemala, la pesca deportiva y las familias que se benefician de estas actividades. I.1.1 Descripción del Sistema y sus Componentes: En esta sección se presenta una descripción del sistema y sus componentes para que el lector tenga una visión global del sistema y los elementos que componen al vehículo. El sistema consiste en los siguientes elementos:

Vehículo de Operación Remota: El vehículo consta de cinco propulsores, cuatro propulsores para controlar los movimientos horizontales y un propulsor para controlar los movimientos verticales. También posee una cámara de video, dos luces y un compartimiento de equipo electrónico.

Ilustración I.1 Vista Frontal y Trasera del Vehículo

En el compartimiento de equipo electrónico se resguarda el sistema de control del vehículo, con este sistema de control se accionan los cinco propulsores, se controla el encendido y apagado de las luces, se obtiene la medición del sensor de presión del vehículo, se codifica la señal de video para ser transmitida y se realiza la comunicación con la estación de control de superficie, este es el ¨cerebro¨ del Vehículo.

Cámara

Luces

Estructura Exterior

Compartimiento de Electrónicos

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Ilustración I.2 Vista Lateral e Inferior del Vehículo

Cable de Comunicación y Cable de Potencia: La comunicación entre la

estación de superficie y el vehículo se lleva a cabo mediante un cable STP (Shilded Twisted Pair) categoría 5e. El utilizar ente tipo de cable permite la transmisión de datos con el protocolo 10-BASE-T hasta ciento cincuenta metros de distancia. Se utilizan dos pares de cables para la comunicación y un par para la transmisión de la señal codificada de video. En el cable te potencia se transmite la potencia eléctrica que demanda el vehículo, en esta línea de potencia se transmiten treinta y seis voltios de corriente alterna, esto para disminuir las caídas de voltaje en la línea.

Estación de Control: La estación de control en la superficie consta de una computadora personal desde la cual se envían comandos al micro controlador del vehículo y se recibe la información que envía este, como lectura de sensores. Un monitor de televisión es utilizado en conjunto con un decodificador de video para observar la imagen que esta capturando la cámara a bordo del vehículo. Para generar la potencia que demanda la operación del vehículo se necesita una planta de generación eléctrica de 110VAC con una capacidad de 400W, y un transformador de 110VAC a 36VAC también con capacidad de 400W. En la siguiente figura se presenta un esquema completo del sistema:

Propulsores Horizontales

Propulsor Vertical

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Ilustración I.3

Esquema del Sistema I.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA I.2.1 Antecedentes:

Nuestro planeta está constituido aproximadamente por tres cuartas partes de agua, por lo que los recursos hidrológicos son de gran importancia para la subsistencia de la humanidad y de las distintas especies que habitan la tierra. Los mares y océanos sustentan la mayor cantidad de especies del mundo, siendo fuente de una inmensa biodiversidad. Entre los ecosistemas marinos que sostienen a la mayor diversidad de formas de vida se encuentran los arrecifes de coral, estos permiten el desove, cría y alimentación de más de 200 especies de animales, entre los cuales figuran cangrejos, corales, erizos, gusanos marinos, langostas, entre otros.

Los arrecifes de coral son ecosistemas subacuáticos de gran importancia tanto

biológica como económica, por su capacidad de albergar gran cantidad de especies de flora y fauna, y porque muchas comunidades costeras dependen de ellos para su sobrevivencia. “Alrededor de 12% de los peces marinos se crían en arrecifes coralinos; de

Computadora de Control

Monitor de TV Generador AC

Vehículo de Operación Remota

Cables de Comunicación y Potencia

Estación de Superficie

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estos casi el 25% son consumidos a nivel mundial.”1,2. Estos contribuyen a la investigación médica permitiendo extraer componentes medicinales de los organismos que habitan en él3, para la cura de enfermedades. Varias sustancias químicas extraídas de algunas de estas especies son de utilidad para la investigación en la cura de artritis, el asma y el SIDA4. Asimismo las piezas de coral para injertos óseos. I.2.2 Justificación:

Lo expuesto anteriormente pone en evidencia la importancia que tiene el estudio y comprensión de estos ecosistemas ya que sostienen a una vasta cantidad de vida marina, preservan la biodiversidad marina, son fuente de recursos naturales, protegen nuestras costas y nos proveen de sustancias con las que se pueden elaborar medicamentos para curar enfermedades o mejorar la calidad de vida de las personas que sufren de enfermedades crónicas. A medida que ha crecido la necesidad de obtener conocimientos más profundos de estos ecosistemas, se ha desarrollado la tecnología para poder satisfacerla. Con el afán de disminuir las limitaciones físicas del ambiente submarino a grandes profundidades y el riesgo que muchas de estas investigaciones pondrían sobre las vidas humanas, se han desarrollado una serie de máquinas llamadas vehículos de operación remota.

Los vehículos de operación remota son vehículos no tripulados que se utilizan en la

realización de investigaciones en las cuales las condiciones físicas del ambiente representarían un peligro para la vida humana, así como para disminuir costos de operación. El uso de submarinos no tripulados permite alcanzar mayores profundidades así como aumentar el tiempo de inmersión. Estos vehículos son una herramienta poderosa que permite extender los estudios y aumentar nuestro conocimiento sobre la vida en el mar. Con los conocimientos obtenidos de los estudios del mar podemos comprender y preservar la vida que hábitat en estos así como lograr la disminución que tiene en ser humano en el planeta tierra. Otros posibles usos para este tipo de equipos se presentan a continuación:

Rescate de equipos u objetos sumergidos. Inspección de instalaciones sumergidas, como tuberías y cables de

comunicación. Uso de herramienta de revisión de cascos de barcos en instalaciones

portuarias. Instalación de equipos sumergidos. Amplia utilización en instalaciones petroleras marinas, en la evaluación del

estado de sus equipos de perforación y transporte de petróleo. Evaluación de la condición de muelles, pilotes, puentes y construcciones

sumergidas. Utilización para dar apoyo a buzos que realizan trabajos bajo el agua.

1 Ver referencia no.2 2 Ver referencia no.9 3 Ver referencia no.5 4 Ver referencia no.2

8

Al utilizar un Vehículo de Operación Remota (VOR) sumergible se reducen las desventajas operativas de emplear buzos, pues se puede reducir el número de personal al prescindir de los equipos de buzos. Este tipo de submarino puede alcanzar profundidades mayores, que las que alcanza una persona, de alrededor de veinte metros sin la utilización de equipo especializado ni cámaras de descompresión, evitando poner en riesgo vida alguna. Así como un tiempo de inmersión indefinido, dependiendo solamente de la cantidad de energía suministrada desde la superficie. Los equipos utilizados en plataformas petroleras permanecen períodos de hasta meses bajo el agua teniendo que subir a la superficie únicamente por mantenimiento, para luego volver a sumergirse a continuar sus labores. Los arrecifes de coral, los cuales son el principal sujeto de los estudios de distintas organizaciones no gubernamentales, crecen hasta una profundidad de hasta cincuenta metros. Esta profundidad no puede ser alcanzada sin la utilización de equipos costosos y además representa un alto riesgo. Aquí es donde resulta evidente la necesidad de un equipo no tripulado para la realización de estudios a estas profundidades. En conclusión, los arrecifes de coral son ecosistemas subacuáticos de gran importancia, por lo que se equipará un vehículo de operación remota con los instrumentos necesarios para el monitoreo de los ecosistemas subacuáticos, que permita desarrollar correctamente planes de conservación. I.3 OBJETIVOS I.3.1 General

Contribuir al desarrollo tecnológico en Guatemala mediante la

generación de una herramienta alterna para el sondeo, observación y estudio de la biodiversidad marina y acuática.

I.3.2 Específicos

Diseñar y construir el primer vehículo submarino de operación remota, VOR, en Guatemala capaz de ser empleado en distintos ecosistemas marinos y acuáticos.

Lograr que el submarino sea una plataforma para distintos

instrumentos y herramientas para la investigación en ecosistemas marinos y acuáticos.

I.4 METODOLOGIA I.4.1 Localización El proyecto de investigación se realizó en varias ubicaciones.

1. Pruebas de Operación:

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a. Lugar: Piscina en Condominio El Zapote, Zona 2, Guatemala b. Coordenadas geográficas: 14°39'34.78"N; 90°30'47.40"W. c. Temperatura5: Máxima 26.1oC; Mínima 15.9oC; Promedio 18.6oC. d. Humedad Relativa5: 67%.

2. Pruebas de Campo:

a. Lugar: Lago de Atitlán i. Coordenadas geográficas: 14°41'59.04"N; 91°10'50.76"W.

ii. Temperatura5: Máxima 27oC; Mínima 13.4oC; Promedio 19.2oC. iii. Humedad Relativa5: 85%.

b. Lugar: Puerto Quetzal i. Coordenadas Geográficas: 13°55'16.83"N; 90°47'18.46"W

ii. Temperatura5: Máxima 33oC; Mínima 21.5oC; Promedio 27.4oC iii. Humedad Relativa5: 71%

I.4.2 Las Variables

I.4.2.1 Variables dependientes:

Materiales: Esta variable depende del peso y dimensiones máximas requeridas por ABIMA, adecuadas para ser manipulado fácilmente así como ser de bajo costo.

Flotación: La cantidad total de flotación es una variable que depende al peso total de los equipos que fueron instalados en el vehículo.

Métodos de Manufactura: Los métodos de manufactura de los componentes responde a la necesidad de producir partes adecuadas para la aplicación, resistentes a al ambiente donde van a operar así como resistencia mecánica requerida.

Diseño de Componentes: El diseño de los componentes del vehículo va en función de los esfuerzos a los que estos van a ser sometidos, como presión, cargas estáticas y dinámicas así como los efectos de la corrosión.

I.4.2.2 Variables Independientes:

Profundidad de operación: La profundidad a la que va a operar al vehículo fue

especificada por ABIMA, esta es una variable que incide en el diseño de todos los componentes del vehículo ya que la presión aumenta proporcionalmente con la profundidad.

Peso Máximo del Vehículo: Esta variable limita el peso total del vehículo para que este sea fácilmente trasportado y manipulado por dos operadores, sin necesidad de equipos adicionales (grúas, remolques, etc.).

Dimensiones: Las dimensiones del vehículo así como el peso deben de ser adecuados para la fácil manipulación y operación del equipo, las dimensiones del vehículo también determinan el arrastre que este va a sufrir en el agua.

5 Ver referencia No. 18

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Costos: Realizar el diseño y construcción del vehículo utilizando los recursos disponibles lo más eficientemente, esta es una variable que incide en todo el proyecto.

I.4.3 Configuración del Vehículo y Diseño Preliminar: El enfoque de este proyecto está dirigido al apoyo de la investigación de ecosistemas marinos y acuáticos, por lo las dimensiones y masa del vehículo deben ser adecuadas, dado que va a ser manipulado y operado por un grupo reducido de investigadores. Los instrumentos de medición que se emplearán para la investigación no requieren de un submarino de dimensiones grandes, por lo que se ha decidido para el diseño preliminar, un peso máximo de 27 kgf (60 libras), longitud de 600 milímetros, ancho de 450 milímetros y altura de 300 milímetros. Entre los distintos diseños de submarinos existen algunos con tres, cuatro y cinco motores destinados a la propulsión. La aplicación en la que va a ser utilizado el submarino (observación de ecosistemas acuáticos y marinos), exige que tenga alta maniobrabilidad, es decir, que sus movimientos sean rápidos y precisos. Entre las posibles configuraciones de motores para submarinos, la que mejor se acopla a estos requerimientos es la configuración de 5 motores dispuestos en forma vectorial a 45 grados del eje longitudinal del submarino. Esta configuración permite movimientos laterales precisos tanto como movimiento hacia arriba, abajo, hacia delante y hacia atrás, ya que va a ser utilizado en áreas sensibles a impactos (arrecifes coralinos). Esto previene posibles daños al ecosistema. La configuración de 5 motores dispuestos en forma vectorial a 45 grados, consta de 4 motores eléctricos a 45 grados del eje transversal del submarino. Estos cuatro motores pueden actuar en distintas combinaciones y así lograr distintos movimientos, ya sean sobre su mismo eje, en diagonal, hacia adelante y hacia atrás. Estas combinaciones y movimientos pueden ser vistos en el ANEXO 3. Se sabe entonces que el peso máximo del submarino es de 27 kgf. Según las especificaciones de los propulsores (ANEXO 2), se conoce que poseen una fuerza de empuje de 2.2 kgf. Las componentes de las fuerzas ejercidas por los motores se suman según las combinaciones y con esto se obtiene una fuerza resultante en una dirección. Se puede comprobar que la capacidad de los motores es suficiente para acelerar el submarino, según los limites de diseño antes mencionados. Se tiene entonces que la fuerza ejercida, para cualquier dirección por las combinaciones es:

FR 2F cos(45) F cos(45)

En donde: F = Fuerza de empuje = 2.2 kgf 21.57 N FR = Fuerza Resultante = 4.67 kgf 45.77 N

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Ahora el la magnitud de aceleración:

mFa R

En donde: a = aceleración

FR = Fuerza Resultante = 4.67 kgf 45.77 N m = masa del submarino = 27 kg

Entonces:

27.1 sma

Con esto se comprueba que cualquier combinación de los cuatro motores dispuestos vectorialmente a 45 grados, logran acelerar el submarino, a una aceleración satisfactoria para un buen funcionamiento. Falta por analizar un motor, el cual es independiente de los cuatro dispuestos a 45 grados, este sirve para sumergir e impulsar el submarino hacia la superficie. Este ejerce directamente una fuerza de 2.2 kgf, para sumergirlo así que la fuerza total de flotación debe ser menor a 2.2 kgf, la fuerza total de flotación es de 0.5Kgf (esto puede ser modificado mediante lastre). El vehículo se sumerge gracias a la fuerza generada por el propulsor y emerge por la fuerza de flotación del vehículo, esto permite que el vehículo emerja en caso se llegase a perder la comunicación con la estación de superficie. En el diseño del submarino se incluye una cámara de video de alta sensibilidad a la luz, con la cual el vehículo cuenta con la posibilidad de transmitir a la superficie las imágenes y video en tiempo real de los ecosistemas marinos o acuáticos. En la figura I.4 se presentan dos diseños preliminares del vehículo, estos fueron descartados por no ser adecuados, esto luego de analizarlos detenidamente tomando en cuenta su resistencia a las altas presiones a las que iban a ser sometidos a una profundidad de cien metros, de hasta 1.03 MPa.

Ilustración I.4 Diseños Preliminares

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I.4.4 Materiales Utilizados en la Fabricación del Vehículo: Se definieron los materiales y forma de fabricación de la estructura exterior del vehículo, esto en base al peso de los materiales, capacidad de estos de resistir las condiciones hostiles del ambiente al que van a ser expuestos, costos y facilidad de construcción.

La elección del material a utilizar en la fabricación de la estructura exterior de vehículo se hizo en función del peso y dimensiones máximas del vehículo tomando en cuenta el costo. En la región se cuenta con extensos recursos naturales que pueden ser aprovechados, por lo cual se optó por elegir una madera disponible localmente a diferencia de elegir un material polimérico o compuesto. La madera cuenta con las propiedades de resistencia deseadas para ser un elemento estructural así como para soportar la presión hidrostática a la cual será sometido el vehículo, es liviana, lo cual ayuda a aumentar la flotación del vehículo y es fácil de conformar a el diseño estipulado.

La madera más adecuada para la construcción de la estructura exterior del vehículo

por su alta resistencia mecánica, densidad y resistencia a ambientes húmedos es la madera de la especie Teca (Tectona Grandis), las propiedades mecánicas de esta madera se pueden ver en la Tabla I.1. La madera de Teca se utiliza en aplicaciones en exteriores, como muebles, estructuras y pisos. Esto se debe a la presencia de aceites en la estructura de la madera que impiden la penetración de agua y bacterias que dañan la madera y disminuyen sus propiedades mecánicas.

Tabla T.1 Propiedades Mecánicas de la Especie Teca (Tectona Grandis) Propiedades Mecánicas Peso Específico 0.55 Módulo a la Ruptura a la Flexión 100,700 KPa Módulo de Elasticidad 10,700 MPa Esfuerzo de Cedencia Paralelo a la Fibra 58,000 KPa Máximo Esfuerzo a Cortante Paralelo a la Fibra 13,000 KPa

Fuente: Green, David W, 1999. Luego de haber elegido los componentes que conforman el vehículo y de seleccionar el material con el cual se fabricó la estructura exterior, se pudo proceder a diseñar y dimensionar el vehículo. Para la fabricación del compartimiento de los equipos electrónicos se utilizó una aleación de aluminio. El aluminio es un metal no ferroso, el más utilizado después del hierro, debido a su bajo peso, su alta maquinabilidad, su conductividad térmica y eléctrica, entre otras propiedades. Las propiedades físicas por las cuales se escogió este material para la fabricación de dicho compartimiento son su baja densidad relativa de dos mil setecientos kilogramos por metro cúbico (2700 kg/m3), es un buen conductor tanto de electricidad como de calor, teniendo hasta el sesenta por ciento (60%) de la conductividad del cobre, por lo que ayuda al enfriamiento de los circuitos electrónicos al liberar calor en el agua circundante. Este material es resistente a la corrosión ya que llega

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a formar una capa de óxido de aluminio (Al2O3) que aisla el material del medio ambiente, evitando el avance de la corrosión. Por último, su alta maquinabilidad permite fabricar piezas de aluminio de forma compleja de manera rápida. Para el compartimiento de los equipos electrónicos se utilizó una aleación de aluminio forjado con tratamiento térmico del tipo sesenta, sesenta y uno (6061). Los principales elementos aleantes del grupo 6xxx son el magnesio (Mg), de cero punto cuarenta y cinco por ciento a uno punto cinco por ciento (0.45%-1.5%) y el silicio (Si), de cero punto cinco por ciento a cero punto ocho por ciento (0.5%-0.8%). Con condiciones de tratamiento térmico este tipo de aleaciones llegan a tener una resistencia a la tracción de hasta doscientos noventa mega Pascales (290 MPa). Estas propiedades hacen al aluminio 6061 un material estructural de alta resistencia mecánica con bajo peso. I.4.5 Elección de los Componentes del Vehículo:

La elección de los componentes del vehículo, cámara de video, propulsores, luces, sensores, conectores y control electrónico, fue un proceso de iteración, esto al investigar sobre los equipos disponibles en el mercado y su costo. Esto en función de las variables independientes, profundidad de operación, costos y dimensiones. Al estudiar una gama de equipos disponibles en el mercado se fueron descartando por no ser adecuados, tener un alto costo o no cumplir con los requerimientos de ABIMA. Los proveedores de componentes elegidos por la relación adecuación/costo de los componentes son los siguientes:

Propulsores Submarinos y Conectores: SEABOTIX, proveedor de equipos submarinos, San Diego California, USA.

Cámara y Luces Submarinas: OUTLAND TECH, proveedor de equipo de video submarino, Los Ángeles California, USA.

Micro Controlador: ESTRATEGIA DIGITAL, Ciudad de Guatemala, Guatemala. Sensor de Presión: PRYSA, Ciudad de Guatemala, Guatemala.

Los componentes que conforman el vehículo son el resultado de una búsqueda

exhaustiva que tuvo como objetivo que la construcción del vehículo mantuviera un bajo costo al elegir componentes que más se apegan a la aplicación.

I.4.6 Diseño Final:

El diseño final del vehículo se basó en los diseños preliminares, en este se corrigieron las debilidades de los dos primeros diseños. Al ser definidos los componentes que fueron instalados en la estructura del vehículo se definieron dimensiones y geometrías para acomodar a estos en la forma más eficiente para aprovechar espacio. Al optimizar la utilización del espacio en el vehículo llevó a un diseño compacto y de peso reducido, 600mm de largo, 450mm de ancho, 3000mm de alto y 27Kgf de peso.

Este diseño también toma en cuenta la concentración de esfuerzos en la estructura debido a la geometría de ésta, se mejoró la simetría de la estructura para evitar que ésta

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indujese fuerzas hidrodinámicas (sustentación) al estar en operación en corrientes marinas. Otro aspecto que se mejoró considerablemente fue la facilidad de fabricación de la estructura, esto para poder obtener mejores resultados en la elaboración y ensamble, así como facilitar el mantenimiento de esta. En la ilustración I.5 se muestra el diseño final del vehículo.

Ilustración I.5

Diseño Final del Vehículo La estructura está recubierta por una capa de resina para aislar la madera del agua, esto para evitar deformaciones de la estructura debidas absorción de agua. Se pintó de color amarillo brillante para facilitar su localización en el mar y evitar que depredadores marinos lo confundan con su presa. I.4.6.1 Análisis de Resistencia del Compartimiento de Equipo Electrónico: Para el análisis de resistencia del compartimiento de equipo electrónico se llevó a cabo un análisis por elementos finitos del compartimiento y de su tapa. Para el análisis se ingresaron los siguientes datos:

Propiedades mecánicas del material, en este caso aluminio 6061. Condiciones de frontera, fijación de la brida del compartimiento. En el caso de la

tapa se fijo un anillo equivalente a la brida y se fijaron los agujeros para los pasamamparos en le dirección radial.

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Presión a la que están sometidas las caras, en este caso 1.3 MPa. A continuación se presenta una tabla resumida de resultados del análisis por elementos finitos del compartimiento y de su tapa:

Tabla T.2 Resultados del Análisis del Compartimiento de Equipo de Control Mínimo Máximo Esfuerzo Equivalente 5.75e-002 MPa 74.71 MPa Factor de Seguridad 3.681 -- Deformación 0. mm 0.2409 mm

Tabla T.3 Resultados del Análisis de la Tapa del Compartimiento de Equipo de Control

Mínimo Máximo Esfuerzo Equivalente 0.2931 MPa 76.88 MPa Factor de Seguridad 3.577 -- Deformación 0. mm 6.183e-002 mm

I.4.7 Fabricación del Vehículo: La estructura externa del vehículo se fabricó en un taller de carpintería donde se conformaron todos los elementos que constituyen a ésta y se ensamblaron mediante pernos, los componentes estructurales se unieron mediante pernos para facilitar el ensamble y mantenimiento del vehículo. Esto probó ser útil al montar todos los componentes en la estructura. Las dimensiones finales variaron tres milímetros (3mm) de ancho menor a lo diseñado y cinco milímetros (5mm) de largo de igual manera, menor a lo previsto, sin embargo estas variaciones se consideran aceptables y el desempeño del vehículo no se vió afectado. El compartimiento en el que se almacenan los componentes electrónicos se elaboró a partir de una barra sólida de aluminio. A la barra se le realizó un vaciado para obtener una cavidad lo suficientemente grande para albergar los componentes electrónicos. Es importante mencionar, que este compartimiento se debía de realizar de una sola pieza debido a la presión a que sería sometido y, si se hubiera realizado de varios componentes éstos podrían fragmentar en las uniones al estar sometido a las condiciones de operación. Para sellar el compartimiento, la tapadera cuenta con dieciseis pernos y un empaque. El espaciamiento de los pernos y la presión que estos ejercen, es adecuada y suficiente como para deformar uniformemente el empaque. Dicha deformación sella completamente los espacios entre las dos piezas. Los soportes de los propulsores se fabricaron en las instalaciones del laboratorio del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del Valle de Guatemala a partir de un material polimérico, UHMW (Ultra High Molecular Weight, por sus siglas en ingles). La fabricación de los soportes de la cámara y luces se realizó a partir de dos materiales, UHMW y Teflón (Tetrafloruroetileno). A partir de una barra de teflón se obtuvieron dos piezas una de las cuales soporta a la cámara y ambas luces y otra que une los soportes laterales a la estructura.

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Al dar por terminada la fabricación de todos los componentes estructurales y soportes se procedió a montar todos los equipos en la estructura. Luego se procedió a hacer un balance del vehículo en una piscina mediante la adición de lastres, también se colocaron lastres de plomo que pueden ser removidos para montar otros equipos e instrumentos a ser utilizados en los estudios de ABIMA. En la ilustración I.6 se muestran fotografías del vehículo durante el ensamble final.

Ilustración I.6

Fotografías del Ensamble Final I.4.8 Pruebas del Sistema: Los componentes del vehículo fueron probados separadamente y en conjunto, esto se llevo a cabo de esta manera para tener la posibilidad de analizar cada componente individualmente antes que fuese integrado en el sistema. Las pruebas de componentes individuales fueron las siguientes:

Prueba de Flotación de la Estructura: Al concluir con la fabricación de la estructura externa de vehículo se comprobó el comportamiento de ésta en el agua, esta prueba se realizó en una piscina.

Prueba de Funcionamiento del Sistema de Control: El sistema de control se probó por separado del sistema para comprobar su correcto funcionamiento y se realizaron correcciones a éste.

Prueba de Infiltración de Agua en el Compartimiento de Electrónicos: Al concluir la fabricación del compartimiento, se sumergió durante setenta y dos horas consecutivas para comprobar que no existiera ninguna infiltración a través de los sellos del compartimiento.

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Prueba de Funcionamiento de los Equipos: Esta prueba consistió en verificar el correcto funcionamiento de todos los equipos que integran el sistema, propulsores, luces y cámara de video.

Se realizaron pruebas de operación así como el balanceo del sistema en una piscina, estas pruebas tuvieron como objetivo el comprobar el concepto de funcionamiento del vehículo y su maniobrabilidad. Las pruebas que se realizaron fueron las siguientes:

Flotación y Estabilidad: Al instalar todos los equipos y concluir con el ensamble del vehículo se comprobó el comportamiento de éste en el agua. La prueba de estabilidad consistió en colocar al vehículo en una posición distinta a la especificada en el diseño y se observó el comportamiento del vehículo.

Control: Se realizó una prueba de control del vehículo, encendido de propulsores, cámara y luces.

Maniobrabilidad: Se realizaron movimientos con el vehículo para observar la maniobrabilidad de éste.

Captura y Transmisión de Video: Esta prueba consistió en realizar filmaciones con la cámara a bordo.

Velocidad de Avance: Se midió la velocidad del avance del vehículo. Velocidad de Inmersión: Se midió la velocidad de inmersión del vehículo.

El resultado de estas pruebas se discute en la sección de resultados, los datos obtenidos fueron utilizados para la mejora del vehículo e hicieron evidentes las debilidades de éste.

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PARTE II MARCO TEÓRICO En Guatemala se han desarrollado con anterioridad vehículos controlados remotamente, en la Universidad del Valle de Guatemala se desarrolló un vehículo de exploración terrestre llamado Robot Explorador. Este fue desarrollado como proyecto del departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad del Valle de Guatemala en el año 2006, el vehículo cuenta con un sistema de procesamiento de imágenes y es capaz de navegar y operar autónomamente. El objetivo del proyecto fue el emular el funcionamiento de los robots exploradores enviados al planeta Marte por la Nasa. El desarrollo de un vehículo submarino operado remotamente es un proyecto sin precedentes en Guatemala, con este proyecto se pretende impulsar el desarrollo de tecnologías similares en Guatemala. La operación de un vehículo que se mueve dentro de un medio acuático requiere el dominio de los principios de mecánica de fluidos que son de relevancia en la aplicación. A continuación se presentan brevemente los conceptos más relevantes del diseño de un vehículo que opera sumergido en agua, en este caso un submarino, el conocimiento de estos conceptos es fundamental para realizar un diseño adecuado de esta clase de vehículo. Para profundizar más en estos temas el lector puede consultar la referencia no.4 de la bibliografía que se presenta al final de este documento. II.1 Arrastre por Fricción: El arrastre, o resistencia de superficie, causado por la fuerza de corte viscoso paralelo a la dirección del flujo sobre una superficie viene dado por la ecuación:

22

2o

fDV

blCF

En donde; fC es el coeficiente de fricción de la superficie analizada, b es el ancho de la superficie, l es el largo de la superficie, es la densidad del fluido y oV la velocidad relativa del fluido.6 II.2 Arrastre de Forma: La presión que actúa sobre una superficie produce una fuerza solo en dirección paralela al flujo, ésta recibe el nombre de arrastre de forma cuya magnitud se calcula por medio de la ecuación:

6 Ver referencia no. 7

19

2

2o

pDDVACF

En donde; DC es el coeficiente de arrastre, pA es el área proyectada del objeto, es la densidad del fluido y oV la velocidad relativa del fluido.7 II.3 Fuerza de Flotación: Cuando un objeto es sumergido en un líquido, éste ejerce una fuerza de flotación igual al peso del volumen desplazado del líquido. Cuando el peso del volumen desplazado del líquido es mayor que el peso del objeto sumergido, se dice que el objeto posee flotabilidad positiva y emerge a la superficie; cuando sucede lo contrario, se dice que el objeto posee flotabilidad negativa y se precipita al fondo; cuando ambas magnitudes sean iguales, el objeto posee flotabilidad neutra y permanecerá estático a cualquier profundidad. La fuerza de flotación se determina son la siguiente ecuación:

db VF En donde; dV es el volumen del fluido desplazado por el objeto y es el peso

específico del fluido, para el agua salada es igual a 10 3mkN .8

II.4 Centro de Masa: Para alcanzar el balance del diseño se necesita encontrar el centro de masa del objeto, el cual se calcula mediante una sumatoria de momentos en cada eje. La ecuación general viene dada por:

n

iii XWxw

1

En donde; iw representa el peso de cada componente, ix es la distancia de cada componente hacia un eje de un sistema de coordenadas de referencia fijo, W es la sumatoria del peso de todos los componentes y X es la coordenada del centro de masa respecto al eje del sistema de coordenadas de referencia fijo.9 7 Ver referencia no.7 8 Ver referencia no.7 9 Ver referencia no.7

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II.5 Centro de Flotación: El centroide del volumen del fluido desplazado es llamado centro de flotación. Éste determina junto con el centro de gravedad del cuerpo inmerso la estabilidad del mismo, la cual depende de las posiciones relativas de ambos centros. 10 II.6 Estabilidad de un Objeto Sumergido: Un objeto que se encuentra sumergido en un fluido es estable cuando el centro de masa del objeto se encuentra bajo el centro de flotación de este. Esto hace que cuanto el objeto se incline de su posición estable se genere un momento de torsión que hace que el objeto regrese a su posición estable. El centro de flotación del vehículo se encuentra sobre el centro de masa de éste lo que hace al vehículo estable cuando está sumergido.11 II.7 Principio de Pascal En las ciencias físicas el principio de Pascal establece que “un cambio en la presión de un fluido incompresible confinado es transmitido sin disminución a todas partes del fluido y a cada superficie del contenedor”12 Por lo tanto la presión es la resultante de una fuerza aplicada sobre un área específica, por lo que es medida por la fórmula: P = F / A En donde:

P es la presión F es la fuerza aplicada A es el área donde se aplica la fuerza

Cuando una fuerza se aplica a un fluido incompresible, el área en cuestión es el área de contacto entre dos moléculas del fluido cualesquiera. Dicha área es la misma para cualesquiera dos moléculas del fluido en contacto. Debido a que un fluido incompresible recibe y aplica fuerza equilibradas a través del mismo, la presión será la misma en todos los puntos del fluido. Si consideramos que el fluido contenido esta sujeto a la gravedad como fuerza adicional entonces debemos de considerar que la diferencia de presión debido a una diferencia de de elevación dentro de una columna de fluido está dada por:

ΔP = ρ*g*(Δh)13 10 Ver referencia no.7 11 Ver referencia no.7 12 Ver referencia no.7 13 Ver referencia no.7

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II.8 Presión Hidrostática Todos los fluidos tienen la característica que ejercen una presión sobre los cuerpos inmersos en ellos. Esta presión es llamada presión hidrostática y se debe al peso del fluido en reposo. La presión es definida como la fuerza por unidad de área, en el sistema internacional esta se mide en Newtons por metro cuadrado (N/m2) la cual es una unidad derivada que se denomina como Pascal (Pa). La presión absoluta es aquella que toma en cuenta la presión atmosférica ejercida por el aire, en relación a la altura sobre el nivel del mar a la cual se encuentra el objeto de análisis. Cuando no se toma en cuenta la presión atmosférica, se dice que se tiene una presión relativa, presión normal, presión de gauge o presión manométrica. Consecuentemente la presión absoluta es la suma de estas dos presiones. En un fluido en reposo la única presión existente es la presión hidrostática, mientras que en un fluido en movimiento existe además una presión hidrodinámica, relacionada con la velocidad del fluido. La fuerza resultante por esta presión es perpendicular a la superficie de los objetos sumergidos en el fluido, sin importar la orientación de la superficie. Debido a que esta presión se encuentra relacionada con el peso del fluido, es directamente proporcional a la densidad del fluido y la profundidad a la cual se encuentra sumergido el cuerpo en cuestión, esto se expresa mediante la fórmula:

P = ρ*g*h

En donde:

P es la presión hidrostática en pascales (Pa) Rho (ρ) es la densidad del líquido en kilogramos por metro cúbico (Kg/m3) g es la aceleración de la gravedad en metros por segundo cuadrado (m/s2) h es la profundidad de sumersión en metros (m)

Esta fórmula puede reducirse si utilizamos la expresión de peso específico la cual es el producto de la densidad por la gravedad, esta dada en Newtons por metro cúbico (N/m3). Por lo que la fórmula viene dada por:

P = γ*h

La presión hidrostática que se ejerce sobre el cuerpo sumergido es constante sobre toda la superficie, siempre y cuando ésta no cambie de profundidad. Los cuerpos sólidos continuos no sufren fracturas cuando son sometidos a presiones hidrostáticas, sin embargo sí sufren deformaciones por compresión, estas pueden llegar a ser permanentes si el cuerpo es deformado de manera plástica. En caso que los cuerpos no sean continuos, como objetos vacíos, las deformaciones causadas por la presión pueden llegar a ocasionar una ruptura en la discontinuidad.

22

En el caso del módulo de flotación del submarino los esfuerzos hidrostáticos pueden llegar a ocasionar rupturas en las discontinuidades que se tienen en los puntos de unión con la estructura del submarino, debido a los agujeros perforados para los pernos de estos. Además si el módulo llegase a deformarse tanto que su tamaño disminuyera significativamente, esto modificaría la flotabilidad del submarino, consecuentemente existiría la probabilidad que el submarino posea flotabilidad negativa, dificultado la sumersión de éste. Por lo tanto el módulo de flotación tiene que ser capaz de soportar las presiones ejercidas sobre el mismo sin deformarse significativamente.14 II.9 Biodeterioro y protección de madera Bajo las condiciones propicias la madera puede dar hasta siglos de servicio, sin embargo, si existen condiciones que permitan el desarrollo de organismos que degraden la madera, se tiene que proveer de protección a la madera. Los organismos principales que degradan la madera son hongos, insectos, bacterias y organismos acuáticos, los últimos pueden degradar la madera rápidamente, particularmente en ambientes de agua salada. La degradación de la madera por organismos ha sido estudiada extensamente muchas prácticas preventivas son comúnmente conocidas y practicadas. La degradación de estructuras de madera a causa de organismos marinos es un problema mundial. La rapidez del ataque de dichos organismos depende de las condiciones locales y de los organismos presentes. Las condiciones de agua fría hacen que los ataques a la madera sean más lentos, sin embargo todavía se necesita protección donde se requiere de una aplicación de larga vida útil. Una de las formas más efectivas para prevenir la degradación de las estructuras de madera es aislar el material del medio hostil por medio de otro material resistente a las condiciones a las cuales es expuesta la madera. Existen varios recubrimientos sintéticos y poliméricos resistentes a condiciones de biodegradación.15 II.10 Corrosión y Oxidación Debido a las condiciones de humedad y salinidad a las cuales está expuesto el módulo de flotación, este está en riesgo de sufrir algún tipo de corrosión u oxidación. La corrosión es definida como el deterioro de un material debido a un ataque electroquímico ocasionado por el medio ambiente al cual está expuesto. La velocidad del deterioro del material debido a este fenómeno fisicoquímico depende en mayor o menor cantidad de la temperatura, la salinidad del medio ambiente y las propiedades del material que se está deteriorando. 14 Ver referencia no.10 15 Ver referencia no.8

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Debido a que el agua en estado líquido su molécula no se encuentra como H2O sino que ésta está dividida en un katión de hidrógeno H+ y un anión de hidróxido OH- existe un potencial eléctrico que ocasiona un desplazamiento de electrones, originando de este modo la corrosión. Dado que la sal, cloruro de sodio NaCl, disuelta en el agua también se separa en iones de Na+ y Cl- debido al fenómeno antes descrito, el potencial eléctrico del agua aumenta, acelerando de este modo el proceso de deterioro de materiales conocido como corrosión. La corrosión afecta a todo tipo de materiales, no solamente a los metales, sin embargo unos son más resistentes a ésta que otros. Este fenómeno se da en todos los ambientes, medio acuoso, en la atmósfera a altas temperaturas y bajas temperaturas. Existen varios tipos de corrosión, todos deterioran los materiales con los mismos resultados, estos tipos de corrosión difieren en los mecanismos mediante los cuales se llevan a cabo. Entre algunos tipos de corrosión se encuentran:

Corrosión electroquímica o polarizada: Ocurre cuando en una misma superficie ocurre un diferencial de potencial en zonas muy próximas entre si, ocasionando un desplazamiento de electrones entre ambas zonas.

Corrosión por oxígeno: Este tipo de corrosión ocurre en superficies expuestas al oxígeno diatómico disuelto en agua o en el aire, las altas temperaturas aumentan la velocidad de la reacción.

Corrosión Microbiológica: Se han descubierto algunos organismos que utilizan el hidrógeno disuelto en el agua en sus procesos metabólicos, provocando una diferencia de potencial del medio circundante.

Corrosión por presiones parciales de oxígeno: Un área sujeta a menor aireación, es decir con menor presión parcial de oxígeno, actúa como ánodo con una superficie expuesta a una mayor presión parcial de oxígeno. Esto ocasiona la migración de electrones.

Corrosión galvánica: Es el tipo de corrosión más común que ocurre cuando dos metales distintos entre si actúan uno como cátodo y otro como ánodo, ocasionando una reducción y una oxidación en los metales.

Corrosión por actividad salina diferenciada: Ocurre cuando una superficie es expuesta a diferentes concentraciones salinas formando por momentos una pila galvánica.

Corrosión a alta temperatura. Corrosión acuosa. Corrosión atmosférica. Corrosión bajo tensión. Corrosión forzada. Corrosión por cavitación. Corrosión por erosión. Corrosión por fatiga. Corrosión por fricción, etc.

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Debido a que el módulo de flotación estará sumergido en agua, este sufrirá de corrosión debido a la sal disuelta en ella, el oxígeno disuelto en el ambiente, los organismos hidrógeno-dependientes, etc. Por lo tanto el módulo debe de ser resistente a la corrosión o tener algún recubrimiento que lo aisle del medio en el cual será operado.16 II.11 Temperatura La temperatura del medio ambiente al cual será expuesto el submarino tiene una gran inferencia en el desempeño del mismo. Durante el día la irradiación solar calienta la superficie del agua, la profundidad a la cual puede llegar la luz a calentar el agua depende de la turbidez de la misma, entre otras cosas. Esta capa de agua caliente tiende a quedarse en la superficie debido a la diferencia de densidades con respecto a las capas inferiores de agua. Sin embargo las corrientes y los vientos tienden a mezclar las capas, haciendo que el agua caliente también descienda. Existe una capa de agua llamada termoclina, el cual es una capa que divide las aguas calientes de las aguas frías. Esta capa ocasionalmente se vuelve visible debido a que consiste en una mezcla de aguas frías con aguas calientes, por lo que su capacidad de disolver la sal cambia, este fenómeno ocasiona que se mire una capa turbulenta blanca, debido a la sal que se encuentra parcialmente disuelta.

A pesar de las corrientes de agua y viento se puede decir que la temperatura de los océanos varía según la latitud y la profundidad. Esta aseveración se puede hacer para los cuerpos de agua dulce igualmente. El noventa por ciento (90%) de los océanos se encuentran debajo de la capa denominada termoclina. Por lo tanto se puede decir que a mayor profundidad menor es la temperatura del agua circundante. Como ilustración se tiene la siguiente curva aproximada (Ilustraciones 7 y 8). La temperatura afecta a los materiales de diversas maneras. Algunos metales, por ejemplo, su vuelven más frágiles de lo normal cuando baja demasiado la temperatura.

Ilustración I.7 Variación de Temperatura en Océanos

16 Ver referencia no.13

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Ilustración I.8 Variación de Temperatura en Océanos vrs Tiempo

Asimismo la elasticidad de los materiales disminuye de manera directamente proporcional a la temperatura. Los coeficientes de expansión y contracción térmica ocasionan que los materiales cambien de dimensiones a medida que cambia la temperatura. Muchas veces no cambian de dimensiones de manera uniforme por lo que pueden deformarse. Por lo tanto el material del cual es constituido el módulo tiene que ser capaz de mantener propiedades relativamente constante ante las variaciones de temperatura a las cuales será expuesto. Asimismo debe de ser relativamente estable y tener coeficientes de expansión y contracción similares a los de los elementos a los cuales estará unido de modo que no haya una separación excesiva cuando se contraiga o expanda debido a los cambios de temperatura.17 II.12 Armadura La mayoría de estructuras reales están hechas a partir de armaduras. Una armadura consta de elementos rectos que se conectan en nodos. Estos elementos solo están conectados en sus extremos; por tanto, ningún elemento continúa más allá de un nodo. Cada armadura está diseñada para soportar aquellas cargas que actúan en su plano y por tanto pueden ser tratadas como estructuras bidimensionales.

Para el caso de la armadura presente en la estructura del vehículo, se consideró como una armadura de 7 eslabones. Se asumió que todos los elementos están conectados por pines que coinciden con la línea central de cada elemento. Se asume también que todas las cargas son aplicadas en tres nodos, en una sola dirección, por lo tanto no existen componentes de esta fuerza en ningún otro sentido. No se considerará la carga ejercida en los nodos por el mismo peso de los elementos, ya que la carga ejercida a cada nodo por el peso de cada elemento es muy pequeña comparada con la carga aplicada.18 17 Ver referencia no 20. 18 Ver referencia no 4.

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II.13 Método de Elementos Finitos El método de los elementos finitos es un método numérico muy general para la aproximación de soluciones de ecuaciones diferenciales parciales muy utilizado en diversos problemas de ingeniería y física.

El método se basa en dividir el cuerpo, estructura o dominio sobre el que están definidas ciertas ecuaciones integrales que caracterizan el comportamiento físico del problema en una serie de subdominios no intersectantes entre sí denominados elementos finitos. El conjunto de elementos finitos forma una partición del dominio también denominada discretización. Dentro de cada elemento se distinguen una serie de puntos representativos llamados nodos. Dos nodos son adyacentes si pertenecen al mismo elemento finito; además, un nodo sobre la frontera de un elemento finito puede pertenecer a varios elementos. El conjunto de nodos considerando sus relaciones de adyacencia se llama malla.

Los cálculos se realizan sobre una malla o discretización creada a partir del dominio con programas especiales llamados generadores de mallas, en una etapa previa a los cálculos que se denomina pre-proceso. De acuerdo con estas relaciones de adyacencia o conectividad se relaciona el valor de un conjunto de variables incógnitas definidas en cada nodo y denominadas grados de libertad. El conjunto de relaciones entre el valor de una determinada variable entre los nodos se puede escribir en forma de sistema de ecuaciones lineales (o linealizadas). La matriz de dicho sistema de ecuaciones se llama matriz de rigidez del sistema. El número de ecuaciones de dicho sistema es proporcional al número de nodos.

Típicamente el método de los elementos finitos se programa en una computadora para calcular el campo de desplazamientos y posteriormente, a través de relaciones cinemáticas y constitutivas las deformaciones y tensiones respectivamente, cuando se trata de un problema de mecánica de sólidos deformables o más generalmente un problema de mecánica de medios continuos. El método de los elementos finitos es muy usado debido a su generalidad y a la facilidad de introducir dominios de cálculo complejos (en dos o tres dimensiones). Además el método es fácilmente adaptable a problemas de difusión del calor, de mecánica de fluidos para calcular campos de velocidades y presiones (fluidodinámica CFD) o de campo electromagnético. Dada la imposibilidad práctica de encontrar la solución analítica de estos problemas, con frecuencia en la práctica ingenieril los métodos numéricos y en particular, los elementos finitos, se convierten en la única alternativa práctica de cálculo. Se utilizará el método de elementos finitos para resolver la armadura presente en la estructura del vehículo. El método de resolución por nodos o secciones, no proporciona resultados sobre la deflexión y deformación de los nodos, ya que en este caso los elementos serian tratados como cuerpos rígidos. Con el método de elementos finitos, se puede obtener la deformación y resolución de armaduras indeterminadas.

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El procedimiento para la resolución de armaduras mediante el método de elementos finitos sería el siguiente:

Si consideramos que un elemento sometido a una fuerza F. Podemos obtener el coeficiente de rigidez, de la siguiente manera.

El esfuerzo promedio es:

AF

En cada elemento:

LL

Ambos se pueden relacionar mediante la ley de Hooke:

E

Al combinar ambas ecuaciones tenemos:

LL

AEF

Esta ecuación es similar a F = kx. Por lo tanto un elemento de sección transversal constante puede ser modelado como un resorte con una rigidez equivalente igual a:

LAEkeq

Si consideramos un elemento con dos nodos, tenemos que el desplazamiento global está relacionado con el desplazamiento local de cada nodo, por lo tanto:

sincos iyixiX uuU cossin iyixiY uuU sincos jyjxjX uuU cossin jyjxjY uuU

Esto se puede escribir en forma de matriz:

uTU

Donde:

28

jY

jx

ix

ix

UUUU

U

cossin00sincos0000cossin00sincos

T

jY

jx

ix

ix

uuuu

u

Las fuerzas locales y globales se relacionan de la siguiente manera:

sincos iyixiX ffF cossin iyixiY ffF sincos jyjxjX ffF cossin jyjxjY ffF

En forma de matriz:

fTF

Donde:

jY

jx

ix

ix

FFFF

F

jY

jx

ix

ix

ffff

f

Tenemos entonces:

jY

jx

ix

ix

jY

jx

ix

ix

uuuu

kk

kk

ffff

000000000000

Donde k = keq = AE/L. Entonces tenemos:

uKf

Luego sustituimos para {f} y {u} en términos de {F} y {U}:

UTKFT 11

Donde [T]-1 es la transformada inversa de la matriz [T] y esta es:

29

cossin00sincos00

00cossin00sincos

1T

Multiplicando ambos lados UTKFT 11 por [T] obtenemos:

UTKTF 1

De esta ecuación sustituyendo los valores de [T], [K], [T]-1 y {U}, obtenemos:

jY

jx

ix

ix

jY

jx

ix

ix

UUUU

k

FFFF

22

22

22

22

sincossinsincossincossincoscossincos

sincossinsincossincossincoscossincos

Estas ecuaciones representan la relación entre las fuerzas aplicadas y las deformaciones en los nodos.

La matriz de rigidez para cualquier miembro de una armadura es:

22

22

22

22

sincossinsincossincossincoscossincos

sincossinsincossincossincoscossincos

kK e

Con este método podremos obtener las fuerzas presentes en cada elemento y es posible comparar este valor con la carga crítica permisible. Esto nos indicara si algún elemento sometido a compresión fallará debido a la carga aplicada.

La carga crítica, se calculará con la ayuda de la ecuación de J.B. Johnson. Se utilizará esta fórmula y no la de Euler, ya que los elementos se pueden considerar como columnas de longitud intermedia, por su relación de esbeltez. La ecuación de Euler nos podría indicar una carga crítica mayor a lo que realmente es, ya que ésta se utiliza únicamente para columnas largas. La ecuación de J.B Johnson es:

ESkl

ASP yycr 2

2

4)/(

1

Esta carga crítica permisible nos indicará el valor en el cual el elemento en compresión esté en riesgo de pandeo. El pandeo es un fenómeno de inestabilidad elástica

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que puede darse en elementos comprimidos esbeltos y que se manifiesta por la aparición de desplazamientos importantes transversales a la dirección principal de compresión.19 II.14 Sujetadores Roscados En el estudio de sujetadores roscados y su uso, hay que estar alerta a la presencia de una mezcla de puntos de vista estocásticos y determinísticos. En la mayoría de los casos, la amenaza es por sobrecargar a los sujetadores y esto se logra mejor mediante métodos estadísticos. Si la amenaza de la fatiga es menor, los métodos determinísticos tal vez sean adecuados. Por ejemplo, para un perno de cabeza hexagonal los puntos de concentración del esfuerzo se encuentran en el entalle, al inicio de los hilos y en el entalle de la raíz del hilo, en el plano de la tuerca cuando está presente. El diámetro de la cara de la arandela es el mismo que el ancho entre las caras planas de la cabeza hexagonal. La longitud ideal del tornillo es aquella donde solo se proyectan uno o dos hilos de la tuerca después de que se aprieta. Los agujeros de los tornillos quizás presenten rebabas o bordes agudos después de su formado, que podrían penetrar en el entalle e incrementar la concentración del esfuerzo. Por lo tanto, para prevenir esto, siempre hay que usar arandelas debajo de la cabeza del perno. Deben ser de acero endurecido y cargadas en el perno de manera que el borde redondeado del agujero estampado esté de frente al tornillo. Algunas veces también se necesita emplear arandelas debajo de la tuerca. El propósito de un tornillo consiste en sujetar dos o más partes. La carga de sujeción estira o alarga el tornillo; la carga se obtiene girando la tuerca hasta que el tornillo se alargue casi hasta su límite elástico. Si la tuerca no se afloja, la tensión en el tornillo permanece como la fuerza de precarga o de sujeción. Cuando se aprieta, el mecánico debe, si es posible, mantener estacionaria la cabeza del tornillo y girar la tuerca; de esta manera el cuerpo del tornillo no será susceptible al par de torsión de fricción de la rosca. La cabeza de un tornillo hexagonal es un poco más delgada que la de un perno de cabeza hexagonal. Los tornillos de cabeza hexagonal se emplean en las mismas aplicaciones que los pernos y también en los que uno de los elementos sujetados está roscado. El material de la tuerca debe seleccionarse con cuidado para igualar al del perno. Durante el apriete, el primer hilo de la tuerca tiende a tomar toda la carga; pero ocurre fluencia, con algún endurecimiento debido al trabajo en frío que tiene lugar, y, a la larga, la carga se divide en casi tres hilos de la tuerca. Por esta razón nunca hay que reutilizar tuercas usadas con anterioridad. 20 19 Ver referencia no 11. 20 Ver referencia no 19.

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PARTE III RESULTADOS Los resultados obtenidos de este proyecto de investigación se presentan en esta sección, primero se presentarán las características del vehículo y luego se presentarán los resultados de las pruebas mencionadas en la metodología del proyecto. III.1 Características del Vehículo: A continuación en la Tabla T.4 se presentan las dimensiones del vehículo así como su peso total.

Tabla T.4 Dimensiones y Peso del Vehículo Dimensiones del Vehículo Largo 600mm (23.6 pulg) Ancho 450mm (17.7 pulg) Alto 300mm (11.8 pulg) Peso 27.2Kgf (60 Lb)

Los materiales de los cuales está compuesto el vehículo son un resultado de este proyecto de investigación, ya que la selección de estos fue fruto de un proceso de selección en el cual se tomaron en cuenta las características físicas del material, la facilidad de ser conformados, viabilidad de utilización y su costo. En la tabla T.5 se presentan dichos materiales.

Tabla T.5 Materiales que Componen al Vehículo Materiales Estructura Externa Madera de la especie Tectona Grandis(Teca) Recubrimiento de la Estructura Resina Epoxica Marina Compartimiento de Equipo electrónico Aluminio 6061 Soportes de Motores Polímero UHMW Soporte de Cámara y Luces Teflón Pernos Acero Inoxidable Sellos y Empaques O-rings de Nitrilo La madera de teca fue seleccionada para la fabricación de la estructura externa del vehículo por sus cualidades estructurales, densidad y resistencia a ambientes húmedos, en la sección de metodología se presentan más cualidades de esta madera y en la tabla T.1 se presentan sus propiedades mecánicas. La estructura se recubrió con una resina epóxica para evitar la deformación de la madera por absorción de agua. El aluminio 6061 es una aleación de aluminio que se conoce por ser la aleación de aluminio estructural por

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excelencia, el aluminio es resistente a la corrosión y es liviano, en la sección de metodología se presenta las cualidades de este material. En la fabricación de los soportes de los motores se utilizó el material polimérico UHMW (Ultra High Molecular Weight). Esto debido a su bajo peso, a su baja absorción de agua y su buena maquinabilidad que permitió conformar este material fácilmente. En la fabricación del soporte de cámara y luces se utilizó teflón debido a su buena maquinabilidad, bajo peso y alta rigidez. Los pernos que se utilizaron en el vehículo son todos de acero inoxidable, esto debido al ambiente corrosivo al cual van a ser expuestos. Por último se seleccionaron O-ring de nitrilo para la fabricación de los sellos debido a la facilidad de diseñar estos utilizando O-rings, se escogió nitrilo al ser este un material muy flexible y resistente a las bajas temperaturas a las que van a ser expuestos estos sellos. La elección de los equipos a utilizar para conformar el vehículo fue fruto de una extensa investigación y análisis de los equipos que se ofrecen en el mercado, este proceso se presenta en la metodología del proyecto. Los equipos que conforman el vehículo se presentan en la tabla T.6.

Tabla T.6 Equipos que Conforman el Vehículo Propulsores Horizontales 4 Propulsores SeaBotix SBT-150ª Propulsor Vertical 1 Propulsor SeaBotix SBT-150ª Micro Controlador Rabbit RMC4000 Cámara de Video OutlandTech UWC-300/P Equipo de Iluminación 2 Luces OutlandTech UWL-300 Sensor de Presión Sensor Turk PT300-13-LI3-H1131

El comunicarse con el vehículo y abastecerlo de energía eléctrica probó ser el mayor obstáculo en este proyecto. Para la comunicación con el vehículo se eligió un protocolo de comunicación IP (Internet Protocol) para poder llevar a cabo la comunicación entre la computadora personal de la estación de superficie y el controlador a bordo del vehículo. La transmisión de potencia eléctrica se lleva a cabo de corriente alterna, esto da la ventaja de una disminuida caída de voltaje en la línea de transmisión en comparación a la corriente directa. La potencia de los propulsores y de las luces son las de más relevancia ya que son los equipos que consumen la mayoría de potencia eléctrica requerida por el vehículo. En la tabla T.7 se presentan las características de operación del vehículo:

Tabla T.7 Características de Operación Voltaje de Transmisión de Potencia 36VAC Protocolo de Comunicación 10-BASE-T (100Mbit) Voltaje de Operación de Propulsores 24VDC Potencia de Propulsores 100W por Propulsor Voltaje de Operación de Luces 12VDC Potencia de Iluminación 70W Consumo Total de Potencia 400W

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III.2 RESULTADOS DE LAS PRUEBAS A continuación se detallaran los resultados obtenidos tanto en las pruebas de operación como en las pruebas de campo. III.2.1 Resultados de las Pruebas de Operación: En esta sección se presentan los resultados de las pruebas de operación que se describen en la metodología del proyecto. Estas pruebas se llevaron a cabo para asegurar el correcto funcionamiento de todos los elementos que conforman el vehículo. Al concluir con esta fase de pruebas se pudieron observar las áreas del diseño que necesitaban mejora. Estos resultados dan parámetros objetivos para la evaluación del desempeño del vehículo. A continuación se presentan los resultados de estas pruebas:

Prueba de Flotación de la Estructura: Al concluir la construcción de la estructura exterior se procedió a comprobar que el comportamiento de ésta en el agua fuese el esperado. La prueba se realizó atando lastres a la estructura simulando el peso de los elementos que se alojan en ésta y luego se introdujo la estructura en una piscina. La estructura mantuvo la posición esperada en el agua y se mantuvo estable, así que la estructura se comportó de forma satisfactoria ya que esta cumplió con los requerimientos de diseño.

Prueba de Funcionamiento del Sistema de Control: Al concluir con la fabricación de los circuitos que conforman el sistema de control se probaron para comprobar su funcionamiento, se hizo una prueba de comunicación entre el controlador y la computadora de control, esta prueba resultó ser satisfactoria al haberse logrado que la computadora de control se comunicase con el controlador del vehículo. Luego se accionaron las salidas que controlan los propulsores realizando combinaciones de motores para realizar distintos movimientos. El sistema de control llevo a cabo las instrucciones enviadas desde la computadora de control por lo que se consideró el desempeño del sistema de control como satisfactorio.

Prueba de Infiltración de Agua en el Compartimiento de Electrónicos: Se llevó a cabo esta prueba según lo descrito en la metodología del proyecto, pasadas 72 horas se procedió a examinar el compartimiento y no se encontró ninguna evidencia de infiltraciones de agua en el compartimiento.

Prueba de Funcionamiento de los Equipos: Esta prueba consistió en hacer funcionar los equipos por separado, todos los equipos operaron de forma correcta, por lo tanto se determinó que era adecuado utilizarlos en el vehículo. Se probaron los cinco propulsores fuera y dentro del agua, se probó la cámara y el codificador de video así como las luces del sistema de iluminación.

Prueba de Flotación y Estabilidad del Vehículo: Una vez terminado el ensamble del vehículo se procedió a probar su flotabilidad y estabilidad en el agua. Se procedió a introducir el vehículo en una piscina, el vehículo flotó como se esperaba. Luego de esto se procedió a realizar el balanceo del mismo mediante la adición de lastre para luego probar la estabilidad del vehículo. La adición de los

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lastres cumple dos funciones, la función de balanceo y la función de colocar en el vehículo un peso equivalente a los instrumentos y equipos que pueden ser instalados posteriormente. El peso total del lastre es de 5.5Kgf (12.1Lb) lo que equivale a instalar equipos del mismo peso que el lastre, esto comprueba que es posible instalar instrumentos en el vehículo. Estando ya balanceado y con los lastres necesarios para la correcta operación del vehículo se procedió a colocar a este en una posición invertida a su posición normal, el vehículo recuperó su posición original rápidamente, lo que prueba que el vehículo es estable.

Control: En esta prueba se probaron por primera vez todos los componentes juntos fuera del agua, se encendieron varios propulsores simultáneamente así como también se probaron las luces y cámara. Todos los equipos funcionaron de manera correcta juntos y el controlador respondió correctamente a los comandos enviados desde le computadora de control.

Maniobrabilidad: Luego de llevar a cabo la prueba de control se procedió a probar la maniobrabilidad del vehículo en el agua, así que se recurrió nuevamente a realizar la prueba en una piscina. El vehículo se colocó en la piscina y se realizaron varias combinaciones de propulsores para observar lo movimientos resultantes de las combinaciones de propulsores accionados. El vehículo realizó los movimientos como era esperado y demostró una alta maniobrabilidad realizando movimientos hacia delante, atrás, movimientos laterales y giros en sentido horario y contra horario. Así que se considera que el vehículo posee la maniobrabilidad suficiente para el estudio de arrecifes.

Captura y Transmisión de Video: Durante las pruebas de piscina también se observó el funcionamiento de la cámara de video a bordo del vehículo, la cámara mostro un buen desempeño incluso con los propulsores encendidos. Esto prueba que la codificación de la señal de video evita que se distorsione por el ruido eléctrico que provoca el funcionamiento de los motores eléctricos de los propulsores.

Velocidad de Avance: Se llevaron a cabo pruebas de velocidad de avance del vehículo para conocer un factor que nos indique la eficacia del vehículo en el mar. En la tabla T.8 se muestran los resultados:

Tabla T.8 Mediciones de Velocidad de Avance No. de Medición Velocidad (m/s)

1 0.198 2 0.202 3 0.195 4 0.190 5 0.190 6 0.197 7 0.179 8 0.181 9 0.177 10 0.176

Con los datos presentados anteriormente se calculó que la velocidad media de avance del vehículo es de 0.188 m/s con una desviación estándar de 0.0096 m/s.

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Velocidad de Inmersión: Se llevaron a cabo pruebas de velocidad de inmersión del vehículo para conocer un factor que nos indique la eficacia del vehículo en el mar. En la tabla T.9 se muestran los resultados:

Tabla T.9 Mediciones de Velocidad de Inmersión No. de Medición Velocidad (m/s)

1 0.160 2 0.153 3 0.154 4 0.142 5 0.128 6 0.118 7 0.112

Con los datos presentados anteriormente se calculó que la velocidad media de inmersión del vehículo es de 0.138 m/s con una desviación estándar de 0.019 m/s. En la siguiente ilustración es una fotografía de una de las pruebas del vehículo:

Ilustración I.9

Fotografía de Prueba de Funcionamiento III.2.2 Resultados de las Pruebas de Campo: III.2.2.1 Prueba de Inmersión a Gran Profundidad en el Lago de Atitlán: En esta prueba se sumergió la estructura y los componentes que conforman al vehículo con el fin de evaluar su desempeño a la profundidad máxima de operación del vehículo, 130 metros. Esta prueba fue llevada a cabo en el lago de Atitlán debido a que se

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pueden alcanzar profundidades mayores a los 130 metros sin el riesgo de exponer al vehículo a violentas corrientes que pueden encontrarse en mar abierto. Se procedió a llevar a cabo la inmersión y se mantuvo una profundidad aproximada de 130 metros por quince minutos. Al finalizar la inmersión se evaluó el estado de la estructura y los componentes del vehículo, motores, cámara, luces y compartimiento de equipo electrónico.

Ningún elemento que conforma al vehículo sufrió ningún daño y no se encontraron infiltraciones en el compartimiento de equipo electrónico. Esto comprueba los resultados obtenidos en la simulación de esfuerzos a los que se someten los componentes a 130 metros de profundidad, el vehículo puede ser operado hasta una profundidad máxima de 130 metros sin causar daño alguno al equipo. Al poder sumergirse a esta profundidad le da al vehículo la capacidad de alcanzar ecosistemas que se encuentran a diversas profundidades. La ilustración I.10 muestra la recuperación del vehículo al concluir la prueba.

Ilustración I.10

Fotografía al Concluir la Prueba de Inmersión. III.2.2.2 Prueba de Operación en el Lago de Amatitlán: Se llevó a cabo una prueba de operación del vehículo en el lago de Amatitlán, el objetivo de esta prueba fue el comprobar que el vehículo posee la capacidad de maniobrar en la presencia de corrientes. De igual forma se realizó una prueba del equipo de iluminación a bordo del vehículo. Las condiciones climáticas durante esta prueba, condiciones de vientos de intensidad media, propiciaron la formación de corrientes en el

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lago. Esto permitió que se comprobara el funcionamiento del vehículo en condiciones no controladas y se pudo observar la maniobrabilidad de este en estas condiciones. El vehículo fue sometido al arrastre de la corriente y demostró una maniobrabilidad adecuada en esas condiciones, sobre y bajo la superficie. Se maniobró el vehículo alejado de la orilla para evaluar la maniobrabilidad de éste, al ser satisfactorio el desempeño se procedió a maniobrar cerca de formaciones rocosas en la orilla. Estas rocas se asemejan a las formaciones coralinas, se maniobró el vehículo cerca de éstas y se pudieron captar imágenes de algas y peces pequeños. El vehículo fue capaz de maniobrar cerca de las rocas sin colisionar con ellas, lo cual demuestra que el vehículo es apto para maniobrar cerca de ecosistemas marinos y acuáticos sin dañarlos. De la misma manera, durante esta prueba, se probaron los equipos de video e iluminación. La turbidez del agua del lago de Amatitlán no permitió ver objetos alejados a más de un metro, sin embargo al maniobrar el vehículo cerca de la orilla fue posible observar rocas, algas y pequeños peces. El vehículo fue sumergido hasta una profundidad aproximada de diez metros, a esta profundidad el vehículo se encontró en una total oscuridad. Seguido de esto se procedió a probar el equipo de iluminación, este funcionó de forma adecuada sin embargo la turbidez del agua no permitió la observación de ningún objeto o animal a esta profundidad. El equipo de video e iluminación funcionaron correctamente y cumplieron a cabalidad su función, esto demuestra que el vehículo es apto para la observación de ecosistemas marinos y acuáticos.

Ilustración I.11 Prueba de Funcionamiento en Amatitlán.

III.3 Discusión de Resultados: Los resultados de las pruebas del vehículo fueron en su mayoría satisfactorios e hicieron evidente las mejoras que deben realizarse. En las pruebas de velocidad se observó una baja velocidad de avance y una baja velocidad de inmersión, de 0.188 m/s y 0.138 m/s respectivamente. Esto se debe a una caída de voltaje en el circuito que regula el voltaje que le es suministrado a los propulsores, lo que provoca que los propulsores operen a un cuarto de su potencia total.

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Esta caída de voltaje se debe al sobrecalentamiento de los reguladores de voltaje que suministran los propulsores, se excedió el límite de potencia que pueden suministrar estos componentes en adición de una disipación deficiente del calor que liberan estos. Al operar a un cuarto de su potencia los propulsores no desarrollan el empuje máximo que estos pueden desarrollar, disminuyendo así drásticamente la velocidad a la que se mueve el vehículo. Este problema se origina en la dificultad de controlar equipos de la potencia de los propulsores ya que estos demandan una alta corriente (4 Amperios por propulsor), lo que dificulta la fabricación del circuito de alimentación y el control de éstos. La elección de componentes electrónicos es reducida ya que la potencia requerida por los propulsores excede la capacidad de la mayoría de los componentes ofrecidos en el mercado. Los componentes eléctricos exceden por mucho los requerimientos del vehículo. Esto limita el diseño de los circuitos de la fuente de poder de los propulsores y el de los circuitos de control de éstos.

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PARTE IV IV.1 Conclusiones: IV.1.1 Se diseñó y construyó el primer vehículo submarino de operación remota en

Guatemala capaz de ser empleado en distintos ecosistemas acuáticos y marinos. IV.1.2 El vehículo submarino puede ser una plataforma para distintos instrumentos y

herramientas para la investigación en ecosistemas acuáticos y marinos. IV.1.3 El diseño del vehículo se apega a las especificaciones requeridas para la

exploración de la vida marina y acuática de peso, dimensiones y profundidad máxima de operación.

IV.1.4 El vehículo tiene la capacidad de sumergirse a una profundidad máxima de 130 metros, lo que permite que éste opere en ecosistemas marinos y acuáticos que se encuentran a diversas profundidades.

IV.1.5 La baja velocidad a la que se mueve el vehículo hace que la operación de éste en sitios donde se encuentran fuertes corrientes no sea prudente.

IV.1.6 La velocidad de movimiento del vehículo puede aumentarse al mejorar el sistema de abastecimiento de energía del vehículo sin alterar la estructura del vehículo o los componentes que conforman al sistema.

IV.1.7 El vehículo puede llevar hasta 5.5Kgf (12.1Lbs) de equipos adicionales como sonares de mapeo, cámaras infrarrojas, sondas y otros instrumentos, lo que lo hace una plataforma para colocar instrumentación.

IV.1.8 La madera de la especie Teca (Tectona Grandis) es adecuada para la construcción de elementos que son sometidos a esfuerzos hidrostáticos por su rigidez, resistencia mecánica y por su resistencia a la descomposición por exposición a la humedad.

IV.1.9 La utilización de un material que se encontró disponible localmente disminuyó los costos de fabricación de la estructura del vehículo en comparación a utilizar un material polimérico o compuesto.

IV.1.10 La configuración de cuatro motores a 45 grados con respecto al eje longitudinal del vehículo permite que el vehículo posea una alta maniobrabilidad.

IV.1.11 El vehículo puede ser operado utilizando cualquier computadora personal ya que el protocolo de comunicación entre ésta y el micro controlador a bordo es estándar en cualquier equipo de cómputo que tenga la capacidad de comunicarse a través de una red de internet.

IV.1.12 La codificación y posterior codificación de la señal de video de la cámara a bordo permite la transmisión a larga distancia de ésta sin ser afectada por la interferencia generada por la operación de los propulsores del vehículo.

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IV.2 Recomendaciones: IV.2.1 Se debe mejorar el diseño de los circuitos de regulación del voltaje que se suple a

los propulsores con el objetivo de entregar toda la potencia que estos demandan para su óptimo funcionamiento, de esta manera aumenta la velocidad a la que se mueve el vehículo y mejora la capacidad de operar en fuertes corrientes que pueden encontrarse en ecosistemas marinos o acuáticos.

IV.2.2 La disipación de calor de los componentes reguladores de voltaje puede aumentarse al utilizar disipadores de aluminio que conduzcan el calor de éstos al compartimiento de aluminio que los aloja para su disipación final en el ambiente fuera del vehículo (agua).

IV.2.3 Es posible la disminución de la sección transversal del cable de potencia al aumentar el voltaje de transmisión en la línea, esto disminuiría el arrastre del cable de potencia y provocaría que el vehículo se moviese mas fácilmente.

IV.2.4 Si se aumenta el voltaje de transmisión en la línea de potencia se debe de tomar en cuenta en el diseño de los circuitos reguladores de voltaje.

IV.2.5 Si se desea implementar de manera efectiva el submarino, se debe de mejorar el sistema de transmisión de potencia, con el objetivo de poder transmitir la potencia eléctrica a un alto voltaje, lo cual reduciría las pérdidas de potencia eléctrica por transmisión y se podría reducir el diámetro de la línea de potencia. Adicionalmente se debe mejorar la regulación del voltaje dentro de los circuitos de control del submarino, cuya función es bajar el voltaje a 28 voltios, reduciendo de esta forma los problemas de disipación de calor de los mismos.

IV.2.6 Las pruebas de campo realizadas con el vehículo de operación remota evidenciaron la necesidad de implementar un sistema de posicionamiento a bordo del mismo, ya que es imperativo saber la posición del submarino, una vez este se pierde de vista al sumergirse a grandes profundidades y en aguas turbias. Este sistema de posicionamiento debería dar la posición del submarino en referencia a la embarcación desde donde se está controlando.

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IV.3 Referencias Bibliográficas:

1. Anderson, David R. Sweeney, Dennis J. Williams, Thomas A. Estadística:

Para Administración y Economía. Octava Edición. México: Thomson. 2004

2. Autor desconocido. Arrecifes de Coral. Disponible en Web:

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3. Autor desconocido. Notre Dame ROV report. Disponible en Web:

<www.mpcfaculty.net/jill_zande/ Notre%20Dame_report.pdf>, 2006.

4. Beer, Ferdinand. P. Mecánica vectorial para ingenieros: Estática.

Sexta Edición. México: McGraw Hill, 2003.

5. Bionet. Campaña de muestreo científico y evaluación ecológica. España:

Bionet, 2002.

6. Bloomfield, Louis. Como funcionan las cosas: La física de la vida diaria.

Tercera Edición. Estados Unidos: John Wiley & Sons, 2006.

7. Crowe, Clayton T. Mecánica de Fluidos. Primera Edición. México:

Compañía Editorial Continental, 2002.

8. Forest Products Laboratory. Wood as an engineering material. Estados

Unidos: Department of Agriculture, Forest Products Laboratory, 1999.

9. Fundación Mario Dary. Evaluación Ecológica Rápida del Refugio de Vida

Silvestre Punta de Manabique, Izabal, Guatemala. Guatemala:

PROARCA/Costas y TNC, 2001.

10. Gere, James M. Mecánica de Materiales. Quinta Edición. México: Thomson

Learning, 2002.

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11. Maoveni, Saeed. Finite Element Analysis, theory and application with

ANSYS. Segunda Edición. Estados Unidos: Prentice Hall, 2003.

12. Smith, Robert T. Minton, Roland B. Cálculo Volumen I y Volumen II.

Segunda Edición. México: McGraw-Hill, 2002.

13. Smith, William F. Ciencia e Ingeniería de Materiales. Tercera Edición.

España: McGraw-Hill, 2004.

14. Serway, Raymond A. Jewett, John Jr. Física II: Texto basado en cálculo.

Tercera Edición. México: Thomson, 2004.

15. Spencer, Anthony. J. M. Continuum Mechanics. Estados Unidos: Dover

Publications, 2004.

16. Poole, David. Álgebra Lineal: Una Introducción Moderna. México:

Thomson, 2004.

17. Waner, Stefan. Costenoble, Steven. Cálculo Aplicado. Segunda Edición.

Thomson Learning, 2002.

18. www.insivumeh.gob.gt

19. Shigley, Joseph. Mischke, Charles. Diseño en Ingeniería Mecánica. Sexta

Edición. McGraw-Hill, 2002.

20. Autor desconocido. Temperature of Ocean Water. Disponible en Web:

<http://www.windows2universe.org/earth/Water/temp.html>

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IV.4 Anexos IV.4.1 Anexo 1: Reportaje de Prensa Libre

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IV.4.2 Anexo 2: Especificaciones Equipo Electrónico

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IV.4.3 Anexo 3 Descripción de la Configuración de los Motores Propulsores

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PARTE V V.1 Informe Financiero: Se adjunta ficha financiera del proyecto:

AD-R-0013

Nombre del Proyecto:

Numero del Proyecto: 121-2006Investigador Principal: Lic. Erick TijerinoMonto Autorizado: Q75,000.00

Fecha de Inicio y Finalización: 01/04/2007 al 31/03/2008 12 meses

Menos (-) Mas (+)

1 Servicios No Personales142 Fletes 354.34Q 354.34Q -Q 143 Almacenamiento 104.00Q 104.00Q -Q

181Estudios,investigaciones y proyectos de factibilidad(Evaluación externa de impacto) 8,000.00Q 8,000.00Q

194 Otras comisiones y gastos bancarios 1,234.80Q 1,234.80Q -Q 195 Impuestos, derechos y tasas 8,039.16Q 8,039.15Q 0.01Q 199 Otros servicios no personales 250.00Q 250.00Q -Q

2 Materiales y Suministros

214Productos agroforestales, madera, corcho y susmanufacturas 2,420.00Q 2,420.00Q -Q

268 Productos plásticos, nylon, vinil y pvc 222.00Q 222.00Q -Q 269 Otros productos químicos y conexos 2,189.00Q 2,189.00Q -Q 283 Productos de metal 1,600.00Q 1,515.90Q 84.10Q Q297 Útiles , accesorios y materiales eléctricos 2,500.00Q 1,704.35Q 4,204.35Q -Q 299 Otros materiales y suministros 2,420.00Q 2,420.00Q -Q

3 Propiedad, planta y equipo324 Equipo educacional, cultural y recreativo 24,715.34Q 24,715.34Q -Q 329 Otras maquinarias y equipos 53,892.82Q 35,339.09Q 18,553.73Q -Q

9 Asignaciones Globales(-) Gastos Administrativos (10%) 6,818.18Q 6,818.18Q -Q

TOTAL Q75,000.00 41,463.99Q 41,463.99Q 66,999.99Q 8,000.01Q

Monto Autorizado 75,000.00Q Disponibilidad: 8,000.01Q ( -) Ejecutado 66,999.99Q

Sub-total 8,000.01Q ( -) Apertura de Caja Chica -Q

Total por Ejecutar 8,000.01Q

Ejecutado Renglon Pendiente de

Ejecutar

DOCEAVA CONVOCATORIALINEA FODECYT

En EjecuciònGrupo

TRANSFERENCIA Nombre del Gasto

Asignacion Presupuestaria

Diseño y elaboración de un vehículo submarino operado remotamente para lainvestigación marina y acuática