PROYECTO CARRO HIDRAULICO.

XIMENA ARANA MORENO.

NASLY KARYNA CARDENAS SABOGAL.

ASTRID CAROLINA LOPEZ REINOSO.

GRUPO: 17M.

U.ESCUELA COLOMBIANA DE CARRERAS INDUSTRIALES.

CIENCIAS BASICAS.

FISICA MECANICA.

BOGOTA D.C

2014.

LA AMENAZA.

1. OBJETIVO GENERAL:

Realizar un carro hidráulico con materiales reciclables, el cual en base de agua y aire, y con aplicaciones de la física logre obtener funciones características de un carro tradicional como son: movimiento de manera uniforme o acelerada, impulso, dirección, potencia, cantidad de trabajo, energía cinética, entre otros, en función de los requerimientos necesarios para que logre superar ciertas exigencias dentro de una competencia como saltar dos rampas de 40 cm de base por 20 de altura, separadas respectivamente por 50cm en la primera fase, 75 cm en la segunda y finalmente 100 cm .

OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Revisar antecedentes los cuales sirvan como base en la realización del proyecto para no repetir errores y trabajar apoyados en experiencias.

Identificar los materiales óptimos para la fabricación del carro que incrementen las probabilidades de éxito

Aplicar principios de la física que permitan facilitar y darle respuesta oportuna a los requerimientos de la competencia como el paso de los obstáculos teniendo en cuenta las distancias desde todos lo puntos, el peso del carro, la cantidad de agua y aire, el impulso, la clase de movimiento que realiza este al saltar (movimiento parabólico), la fricción o agarre con el suelo, entro otras factores.

ANTECEDENTES.

Se tomaron como base para la realización del proyecto 3 antecedentes para optimizar los resultados en base a las experiencias superadas en cada uno de estas diferentes situaciones, los cuales se relacionan a continuación siendo el primero internacional y los otros dos nacionales:

ANTECEDENTE No 1: REALIZACIÓN DE LA PRIMERA PROPULSIÓN HIBRIDA HIDRÁULICA DEL MUNDO POR BOSCH Y PSA PEUGEOT CITROËN

Objetivo:

Bosch y PSA Peugeot, lo que principalmente buscan es aumentar el nivel de eficiencia de un carro tradicional, con la introducción de un sistema hidráulico de propulsión con la recuperación eficiente de la potencia de frenado, lo que asegura un mayor aprovechamiento de la energía cinética que se descarga a la hora del frenado siendo capturada en forma de energía hidráulica en el acumulador de presión, lo que asegura una disminución en las emisiones de CO2 y un ahorro en el consumo de combustible estimado desde un 30 % y un 45% de acuerdo a los terrenos por donde transite (cuidad, carretera) y una mayor eficiencia.

Conclusiones:

dentro de la realización del proyecto del carro hidráulico tener como soporte proyectos de este tipo, donde el ideal de utilizar alternativas diferentes para a tener aplicaciones tan beneficiosas dentro de una comunidad tanto a nivel económico, como a nivel social respecto a los beneficios citados en el artículo le da veracidad a realización del carro hidráulico, por otra parte a nivel teórico se confirma el aprovechamiento que se puede

hacer de los diferentes tipos de energía que aparecen dentro del proceso para el

funcionamiento de un vehículo los cuales aseguran un aumento en los niveles de

eficiencia respecto a un carro tradicional.

Link, recuperación de antecedente No 1:

http://www.hibridosyelectricos.com/articulo/tecnologia/la-primera-propulsio-n-hi-brida-hidra-ulica-del-mundo/20130311112410005171.html

ANTECEDENTE No 2 PROYECTO CARRO HIDRAULICO ESTUDIANTE UNIVERSIDAD ECCI

Objetivos: Este proyecto es realizado por un grupo de estudiantes de la universidad ECCI, el cual tiene las mismas características y condiciones que el que el de nosotros

Conclusiones: es de suma utilidad dentro de la realización de nuestro proyecto, ya que toda la información respecto a materiales, problemáticas en el transcurso de la realización, errores cometidos es de gran ayuda y nos permite agilizar el proceso, por ejemplo evadiendo los errores que ellos superaron.

Dentro de las principales características que se retomaron para nuestro proyecto fueron:

 Utilización de materiales oportunos livianos como palos de valso, bomba de aire manual con manómetro, válvula (cello matic), llantas con características de agarre para aumentar la estabilidad del carro.

Variables a tener en cuenta como: cantidad de presión, propulsión del agua, peso del carro, impulso, que no hayan fugas de aire, tamaño de las llantas, inclinación de la botella.

Teorías y formulas aplicables.

Link de recuperación Antecedente No 2: http://andrescore8.wordpress.com/proyecto-carro-hidraulico/

ANTECEDENTE No 3 VIDEO YOUTUBE, REALIZACIÓN CARRO HIDRAULICO

Como tercer antecedente se referencia el siguiente link de youtube, donde unas estudiantes de colegio, desean realizar un carro que en base de propulsión de agua genera un movimiento, al momento de la realización del carro fue el primer antecedente que se investigo, ya que para los integrantes del grupo la idea de un carro hidráulico no era completamente clara para lo cual fue de bastante ayuda la visita al video, obteniendo los primeros parámetros importantes para la realización como la inclinación de la botella, el uso necesario de una bomba de aire, los posibles materiales, entre otros elementos.

Link recuperación video carro hidráulico: https://www.youtube.com/watch?v=pCniwznpuBM

MARCO TEORICO

 A continuación  se citan algunos conceptos físico  que se consideran determinantes dentro del desarrollo del proyecto y los cuales serán utilizados como herramienta para la facilitar el progreso del mismo:

HIDRAULICA.

La hidráulica es la parte de la física que estudia la mecánica de los fluidos; su estudio es importante ya que nos posibilita analizar las leyes que rigen el movimiento de los líquidos y las técnicas para el mejor aprovechamiento de las aguas. También, mediante el cálculo matemático, el diseño de modelos que a pequeña escala y la experimentación con ellos, es posible determinar las características de construcción que deben de tener presas, puertos, canales, tuberías y maquinas hidráulicas como el gato y la prensa.

Se divide en dos partes, como ya señalamos, la Hidrostática tiene por objetivo estudiar los líquidos En reposo, se fundamenta en leyes y principios como el de Arquímedes, Pascal y la paradoja hidrostática de Stevin, mismos que contribuyen a cuantificar las presiones ejercidas por los fluidos y al estudio de sus características generales. La Hidrodinámica estudia el comportamiento de los líquidos en movimiento. Para ello considera, entre otras cosas: la velocidad, la presión, el flujo y el gasto liquido.

Concepto de presión

Se define presión como el cociente entre la componente normal de la fuerza sobre una superficie y el área de dicha superficie.

P= FnS

La unidad de medida recibe el nombre de pascal (Pa).

La fuerza que ejerce un fluido en equilibrio sobre un cuerpo sumergido en cualquier punto es perpendicular a la superficie del cuerpo. La presión es una magnitud escalar y es una característica del punto del fluido en equilibrio, que dependerá únicamente de sus coordenadas como veremos en la siguiente página.

fluido_1.gif (2471 bytes) En la figura, se muestran las fuerzas que ejerce un fluido en equilibrio sobre las paredes del recipiente y sobre un cuerpo sumergido. En todos los casos, la fuerza es perpendicular a la superficie, su magnitud y el punto de aplicación se calculan a partir la ecuación fundamental de la estática de fluidos.

Un pascal es la presión que ejerce una fuerza de Newton que actúa sobre una superficie de un metro cuadrado de área.

Si disminuimos  la superficie obtendremos presiones muy altas con fuerzas reducidas (ejemplo, cuchillos afilados, agujas, clavos…).

 

FUERZAS QUE EJERCEN LOS FLUIDOS EN EQUILIBRIO

Cuando hablamos de fluido, nos referimos tanto a los líquidos como a los gases. No tienen forma propia y adoptan la forma del recipiente que los contiene. Sus moléculas tienen libertad de movimiento y cambian fácilmente de posición.

Un líquido ejerce fuerzas perpendiculares sobre las superficies que están en contacto con este (ejemplo botella llena de agua a la que hacemos un agujero), ya sean las

paredes del recipiente que lo contiene o cualquier otra superficie que se encuentre en su interior.

La fuerza ejercida por un líquido en equilibrio sobre una superficie cualquiera es perpendicular a esta, y la orientación de la superficie es la que determina la dirección de la fuerza

En el ejemplo anterior, introducimos el tubo en el agua con el hilo tenso y la placa tapando el orificio inferior, si dejamos de tensar el hilo, la placa sigue manteniéndose pegada al tubo, independientemente de la orientación del tubo. Si ahora vamos llenando por la parte superior del tubo con agua, el tapón inferior caerá en el momento de el agua del tubo llegue al nivel del agua del vaso.

DINÁMICA

La dinámica es la parte de la física (específicamente de la mecánica clásica) que describe la evolución en el tiempo de un sistema físico en relación con las causas que provocan los cambios de estado físico y/o estado de movimiento. El objetivo de la dinámica es describir los factores capaces de producir alteraciones de un sistema físico, cuantificarlos y plantear ecuaciones de movimiento o ecuaciones de evolución para dicho sistema de operación.

El estudio de la dinámica es prominente en los sistemas mecánicos (clásicos, relativistas o cuánticos), pero también en la termodinámica y electrodinámica. En este artículo se describen los aspectos principales de la dinámica en sistemas mecánicos, y se reserva para otros artículos el estudio de la dinámica en sistemas no mecánicos.

En otros ámbitos científicos, como la economía o la biología, también es común hablar de dinámica en un sentido similar al de la física, para referirse a las características de la evolución a lo largo del tiempo del estado de un determinado sistema.

APLICACIONES.

Usando las bases de la fuerza hidráulica y las bases dela dinámica, analizando el peso del carro y la distancia que queremos que recorra, lograremos que por medio de la presión ejercida por el aire dentro de la botella de plástico al agua, al dejar salir el agua con esta presión moverá el carro haciendo que logre avanzar la rampa, subirla y luego bajar.

LEYES DE NEWTON

Ley de la inercia 

La primera ley de Newton, conocida también como Ley de inercia, nos dice que si sobre un cuerpo no actúa ningún otro, este permanecerá indefinidamente moviéndose en línea recta con velocidad constante (incluido el estado de reposo, que equivale a velocidad cero).

Como sabemos, el movimiento es relativo, es decir, depende de cual sea el observador que describa el movimiento. Así, para un pasajero de un tren, el interventor viene caminando lentamente por el pasillo del tren, mientras que para alguien que ve pasar el tren desde el andén de una estación, el interventor se está moviendo a una gran velocidad. Se necesita, por tanto, un sistema de referencia al cual referir el movimiento. La primera ley de Newton sirve para definir un tipo especial de sistemas de referencia conocidos como Sistemas de referencia inerciales, que son aquellos sistemas de referencia desde los que se observa que un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza neta se mueve con velocidad constante.

En realidad, es imposible encontrar un sistema de referencia inercial, puesto que siempre hay algún tipo de fuerzas actuando sobre los cuerpos, pero siempre es posible encontrar un sistema de referencia en el que el problema que estemos estudiando se pueda tratar como si estuviésemos en un sistema inercial. En muchos casos, suponer a un observador fijo en la Tierra es una buena aproximación de sistema inercial.

APLICACIÓN:

La ley de inercia se hace evidente en el movimiento que realizara el carro al momento en el que la fuerza ejercida por la presión del aire que actúe sobre él lo haga cambiar su estado de reposo a movimiento acelerado.

 

Ley fundamental de la dinámica clásica 

 La Primera ley de Newton nos dice que para que un cuerpo altere su movimiento es necesario que exista algo que provoque dicho cambio. Ese algo es lo que conocemos como fuerzas. Estas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.

La Segunda ley de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. Nos dice que la fuerza neta aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo. La constante de proporcionalidad es la masa del cuerpo, de manera que podemos expresar la relación de la siguiente manera:

F = m a

Tanto la fuerza como la aceleración son magnitudes vectoriales, es decir, tienen, además de un valor, una dirección y un sentido. De esta manera, la Segunda ley de Newton debe expresarse como:

F = m * a

APLICACIÓN.

 la segunda ley de Newton se puede aplicar a la hora de determinar con que aceleración se debe mover el carro, para lo cual será necesario tener en cuenta el coeficiente adecuado de masa y de fuerza aplicada  para lograr dicha aceleración.

 

Ley acción o reacción 

Tal como comentamos en al principio de la Segunda ley de Newton las fuerzas son el resultado de la acción de unos cuerpos sobre otros.

La tercera ley, también conocida como Principio de acción y reacción nos dice que si un cuerpo A ejerce una acción sobre otro cuerpo B, éste realiza sobre A otra acción igual y de sentido contrario.

Esto es algo que podemos comprobar a diario en numerosas ocasiones. Por ejemplo, cuando queremos dar un salto hacia arriba, empujamos el suelo para impulsarnos. La reacción del suelo es la que nos hace saltar hacia arriba.

Cuando estamos en una piscina y empujamos a alguien, nosotros también nos movemos en sentido contrario. Esto se debe a la reacción que la otra persona hace sobre nosotros, aunque no haga el intento de empujarnos a nosotros.

Hay que destacar que, aunque los pares de acción y reacción tenga el mismo valor y sentidos contrarios, no se anulan entre sí, puesto que actúan sobre cuerpos distintos.

APLICACIÓN.

La ley de acción y reacción se puede observar en  el momento en que la fuerza con la que sale el agua del carro y hace que se mueva es proporcional e inversa a la fuerza ejercida con el aire a presión al inicio del experimento.

MOVIMIENTO PARABÓLICO

 El movimiento parabólico completo se puede considerar como la composición de un avance horizontal rectilíneo uniforme y un lanzamiento vertical hacia arriba, que es un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado hacia abajo (MRUA) por la acción de la gravedad.

En condiciones ideales de resistencia al avance nulo y campo gravitatorio uniforme, lo anterior implica que:

1. Un cuerpo que se deja caer libremente y otro que es lanzado horizontalmente desde la mismaalturatardan lo mismo en llegar al suelo.

2. La independencia de lamasa en la caída libre y el lanzamiento vertical es igual de válida en los movimientos parabólicos.

3. Un cuerpo lanzado verticalmente hacia arriba y otro parabólicamente completo que alcance la misma altura tarda lo mismo en caer.

4. Se denomina movimiento parabólico al realizado por un objeto cuya trayectoria describe una parábola.

APLICACIONES.

El movimiento que realiza el carro para saltar de una rampa a la otra, cumple con las características de un movimiento parabólico por lo tanto son de utilidad la utilización de las formulas correspondiente a dicho movimiento para garantizar la exactitud de la altura que debe tener el movimiento, el tiempo de vuelo y el alcance máximo adecuados para superar con éxitos el desafío teniendo en cuenta su ángulo de inclinación.

ENERGÍA HIDRÁULICA EN COLOMBIA.

La energía hidráulica es el segundo recurso renovable más utilizado en el mundo. Colombia, debido a su situación privilegiada desde el punto de vista hidrológico, tiene un gran potencial para desarrollar proyectos que impliquen aprovechamientos hidráulicos.

Como una primera aproximación para establecer el potencial físico hidroenergético se han tomado como base las características del territorio, en este caso, el agua y las posibilidades del terreno para aprovecharla, a partir de dos variables:

1. La escorrentía, caudal (Q) o cantidad de agua que el río transporta en un tiempo determinado.

2. La pendiente del terreno, cabeza hidráulica o altura disponible entre el nivel de la superficie del fluido y el lugar inferior de la caída.

Para obtener el mapa se realiza la siguiente clasificación de donde se obtienen los cinco niveles alto, medio alto, medio bajo, bajo y muy bajo:

A. Escorrentía, (en mm al año) se le asignó un peso de 0.6 en las siguientes5 clasificaciones: muy baja (0 - 1 000), baja (1 000- 1 500), media (1 500 -2 000), alta (2 000-2 500) y muy alta (>2 500).

B. Pendiente del terreno (en porcentaje), se le asignó un peso del 0.4 en las siguientes 3 clasificaciones: baja (0 - 3%), media (3% - 15%) y alta (> 15%).

1.

AVANCES.

Desde el inicio de semestre y hasta el día de hoy se ha venido organizando la información de pertinencia para el desarrollo del proyecto como lo son la revisión de los antecedentes con el fin de disminuir la cantidad de errores, determinar los objetivos a seguir para tener claridad de lo que se busca con la realización de la actividad, la recolección de información respecto a la teoría y formulas aplicables  y por último la recolección de parte de los materiales para la realización del carro de forma física, los cuales se relacionan en las siguientes fotografías:

1.1. MATERIALES. LLANTAS REUTILIZADAS.

PAPEL DE COLORES PARA EL MONTAGE,CINTAS, DESTORMILLADOR, TORNILLOS, BOTELLA PET 600 ml

VALVULA (CELLO MATIC).

BASE.

CARRO TERMINADO

Realizando pruebas, listo para la entrega final.

CONCLUSIONES.

Se concluyó que falto más aplicación de las temáticas esenciales para la realización del proyecto, además que debieron hacerse más pruebas, para así mejorar las fallas que tenía el carro en su estructura en este caso que la botella estaba hacia un lado.

También se pudo evidenciar que falto precisión en la cantidad de agua y aire suministrados en la botella, para así poder lograr que el carro saltara las dos rampas.

Por último, nos pudimos dar cuenta que al momento de soltar el carro se ladeaba y esto se dio por dos cosas.

1. falta de coordinación entre las personas y falta de dirección del carro.2. Falta de dirección de la botella (estaba torcida).

REFERENCIAS.

- Giraldo porto Adriana (14/11/2014). Historia de la hidráulica  [http://fluidos.eia.edu.co/] de:

http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/historia/historiadelahidraulica/historiadelahidraulica.html.

- Franco A. (14/11/2014). Concepto de presión [curso interactivo de física en internet] de:

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/fluidos/estatica/introduccion/Introduccion.html

- UNAL (14/11/2014). Energía hidráulica en Colombia. [http://www.virtual.unal.edu.co/] de:

http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ciencias/mtria_ensenanza/ene_ren/pdf/

energia_hidraulica_en_colombia.pdf