TESINA FISICA 3.docx

7/21/2019 TESINA FISICA 3.docx

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CMO MOVER UN BARCO SIN

USAR UN MOTOR CONVENCIONAL?

FISICA III FIME

ESC.DE INGENIERIA MECANICA

- CHAUCA ASMAT LUIS (092959I)

- CHAUARRY BENITEZ JUAN (040108H)

- ENRIQUEZ TICLAVILCA DAVID (092919G)

- GOMEZ NAVARRO FERNANDO (082844D)


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CMO MOVER UN BARCO SIN USAR UN MOTOR CONVENCIONAL? FIME

RESUMEN

Se construy un pequeo barco para ilustrar el principio de la magnetohidrodinmica(MHD). Se utiliz un barco de plstico al cual se le coloc una pila de 9V en la parte

superior, la cual se conect a dos barras de grafito en la parte inferior del barco mediante eluso de caimanes. Dichas barras actuaron como electrodos y se fijaron con plastilina. Secoloc un imn de neodimio en la parte superior del barco que interactu con la corrienteelctrica, generando una fuerza. El barco se coloc en un recipiente que contena agua yuna sal con una concentracin al 2.5% (cloruro de sodio y bicarbonato de sodio). Se midila velocidad y el tiempo en el que avanz. Tambin se midi la intensidad de corriente dedichos fluidos a la misma concentracin (ms otra concentracin con agua e hidrxido depotasio) mediante un multmetro. Al utilizar la frmula F=I x B se calcul la fuerzagenerada por cada fluido. Se observ que la fuerza fue mayor en la solucin que gener unamayor intensidad de corriente, como se esperaba.


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INTRODUCION

Se le denomina magnetohidrodinmica a la disciplina acadmica que se encarga de estudiar

el movimiento de fluidos conductores, provocado por la presencia de una corriente elctricay campos magnticos. Con la presencia de corriente elctrica en un fluido conductor y lacombinacin de un campo magntico, se crean fuerzas que inducen corrientes en el fluidoconductor. La fuerza que se aplica se puede deducir por la ecuacin: F = I x B, donde I es laintensidad de corriente y B es el campo magntico aplicado. La fuerza generada esperpendicular al campo magntico y la velocidad, por lo que se puede controlar la direccinde la fuerza (Font y Dudley, 2004).

Nuestro proyecto tuvo como objetivo utilizar una aplicacin que existe de lamagnetohidrodinmica: el movimiento de un barco. Se observaron y midieron las fuerzasresultantes de distintos fluidos conductores que se crearon dependiendo de la variacin de

la intensidad de la corriente elctrica y el campo magntico aplicado.

ANTECEDENTES

La MHD estudia el movimiento de fluidos elctricamente conductores en camposmagnticos; esta disciplina se ha vuelto popular en las ltimas dcadas, en especial cuandoel cientfico sueco Hannes Alfvn incurri en este campo. Sus trabajos en esta rea locondujeron a obtener el Premio Nobel de fsica en el ao de 1970.

La MHD surge de la fusin de la dinmica de fluidos y el electromagnetismo. La ideaprincipal y con la cual trabajamos es que a partir de aadir un campo elctrico o magntico

a un fluido conductor se generara una fuerza que acte como corriente.


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Las fuerzas magnticas pueden utilizarse para producir movimientos en lquidosconductores una aplicacin directa se da en el bombeo de fluidos o en la propulsin debarcos. Se han realizado experimentos como el del buque japons Yamato 1, con losprincipios de la magnetohidrodinmica y varios de ellos se han convertido en aplicaciones

en diversos campos de la ciencia como la geofsica y la astrofsica. En la ingeniera, lamagnetohidrodinmica se ha utilizado en el confinamiento de plasma, el enfriamiento pormetales lquidos de los reactores nucleares y el moldeado electromagntico.

La MHD tambin ha generado ideas que parecan descabelladas, una de ellas era propulsarun barco utilizando la corriente que generara la MHD hacia un fluido, en este caso el aguade mar. En Japn, en la Universidad de Osaka se trabaj en este proyecto, para construir unbarco eficiente que funcionara por los principios de la magnetohidrodinmica. Esteexperimento se llev a cabo en 1992 con el patrocinio de grandes industrias y compaas.Los beneficios de este barco seran enormes ya que sera silencioso, no tan caro, rpido, ybastante eficiente. En el primer experimento se obtuvo una eficiencia menor a la de un bote

convencional: 22 a 23% de eficiencia. Esto no detuvo a los cientficos que trabajaron en elproyecto Yamato 1, el cual es el nombre del barco que fabricaron y no se dieron porvencidos. Ellos entienden que apenas se est conociendo poco de esta nueva disciplina, yesperan que en las futuras dcadas la propulsin por MHD, sea algo prctico y viable. Elproblema es que los imanes no son tan ligeros como deberan, ni generan camposmagnticos tan poderosos, pero se espera que en un futuro un barco construido en base a lamagnetohidrodinmica sea tan competitivo como uno convencional (Normile y Langreth,1992).

Otro experimento similar al que se llev a cabo en la Universidad de Osaka, consisti en la

creacin a escala de un bote que funcione nuevamente con el principio de lamagnetohidrodinmica. En un artculo (Font y Dudley, 2004) ensean cmo se deberacrear este modelo y la explicacin de cmo funciona [Ver Fig. 2].

Se puede apreciar como esta idea descabellada que presentaron en Japn se ha idotomando ms en consideracin, por ello hemos optado por tomar como base el proyectoque se realiz en Osaka, usarlo para comprender mejor los principios de la MHD y ver sista podra ser una alternativa viable para el presente (Font y Dudley, 2004).


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HIPTESIS

Una fuerza magntica en conjunto con una corriente elctrica es capaz de producirmovimiento en un fluido conductor de electricidad, particularmente para mover un barco.

OBJETIVOS

General: Generar corrientes de fluidos conductores por medio de campos magnticos ycorrientes elctricas.

Especficos:

Aplicar las fuerzas generadas por corrientes elctricas e imanes(magnetohidrodinmica) a ciertos experimentos.

Determinar si el uso de este principio de fuerza es una opcin viable para ciertas

aplicaciones como lo es el movimiento de fluidos conductores de corriente paraimpulsar un mvil (barco). Construir un pequeo barco con distintos materiales y colocarlo en un contenedor

con un fluido conductor. Utilizando el principio de magnetohidrodinmica, colocar electrodos e imanes en

dicho barco para generar una fuerza que impulse el fluido en el que se encuentradicho barco e impulsarlo, logrando su movimiento.


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METODOLOGA

Para realizar el experimento se dise un barco que pudiera tener al imn y el circuitoelctrico para que se produjera la fuerza por la magnetohidrodinmica. Despus de varios

diseos se decidi usar un barco de juguete de plstico. Se seleccionaron varios barcos yfinalmente escogimos el chasis de un barco de juguete que era el ms ligero y flotaba ms.Hicimos varias pruebas con este barco y le agregamos piezas de unicel para ayudar a queflotara mejor. Encima del barco colocamos un imn de neodimio (que nuestro asesor nosrecomend y prest debido a su gran campo magntico de 0.3 Teslas, el cual sera uncampo magntico suficiente para mover el barco). El neodimio es el imn de tierras rarasms potente en la actualidad y sus altos valores magnticos permiten que se puedan realizarmedidas con una extraordinaria potencia. Tambin, encima del barco colocamos una pila de9 V que estaba conectada por medio de caimanes a los dos electrodos de grafito que estabanfijados a la parte inferior del barco por medio de plastilina, con una separacin de 1.5 cm


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Nuestros experimentos se realizaron en una tina, la cual contena el electrolito deseado(agua con bicarbonato o sal) para que se creara el circuito y se cumpliera el principio de lamagnetohidrodinmica. La tina contena 17.6 litros de agua y se le agregaron 415.32gramos de la sal para as tener una concentracin de sal de 2.5 %, similar a la concentracin

de sal en el mar que oscila entre el 3 y el 3.5 %.

Variamos un poco las concentraciones hasta encontrar cul de ellas era la mejor para queavanzara nuestro barco. Se midi el tiempo en el que el barco avanzaba una distancia de 17cm utilizando un cronmetro. Se repiti la prueba 5 veces y se obtuvo un promedio deltiempo con el cual obtuvimos la velocidad promedio del barco en cada solucin utilizandola frmula v=d/t.

Para la medicin de intensidad de corriente, utilizamos 3 vasos en los que colocamos 600ml de agua y una concentracin al 2.5 % tambin de la sal, el bicarbonato de sodio y elhidrxido de potasio. Usamos un multmetro que estaba conectado en un circuito en serie a

nuestro circuito con la pila.

Se tomaron medidas de la intensidad de corriente 10 veces. Ya que obtuvimos diferentesresultados para la intensidad de corriente, los multiplicamos con la intensidad del campomagntico de los imanes (Imanes, 2007) que fue de 0.3 Teslas. De esta manera obtuvimoslos resultados de la fuerza, calculamos el promedio para cada una de las situaciones y

tambin obtuvimos la desviacin estndar.


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RESULTADOS

La Figura 6 muestra la fuerza que se obtuvo en cada uno de los medios.

En la primera barra, que est conformado por agua de la llave, la cual obviamente contienebajas cantidades de sales, la fuerza que se obtuvo fue casi insignificante. En el segundocaso, que se midi la fuerza en una solucin de bicarbonato de sodio al 2.5 %, se muestracomo la fuerza se elev de forma radical con respecto a la fuerza que se midi en el agua.El patrn que siguen las barras en la grfica es creciente, ahora en el cloruro de sodio, lafuerza se increment y se midieron 1.773 X 10^3 Newtons, que es mayor a la fuerza que seobtuvo en el bicarbonato. Es importante destacar que para generar todas las soluciones seutiliz la misma concentracin y proporcin la cual fue de 2.5 % del compuesto en unrecipiente que contena 600 ml de agua. Finalmente, en la solucin en la que se obtuvo lamayor fuerza fue la que se prepar con hidrxido de potasio (KOH).

En esta solucin se obtuvo una fuerza de 2.137 X 10^3 Newtons, casi el doble de lo que seobtuvo en la solucin de bicarbonato de sodio. Con estos resultados se observa que unafuerza mayor determina una velocidad mayor, por ello se infiere que en la solucin en laque el barco ser ms veloz ser en la solucin de hidrxido de potasio. Sin embargo, nonos fue posible llevar a cabo el experimento para medir la velocidad en la solucin dehidrxido de potasio ya que no era suficiente la cantidad con la que contbamos de estecompuesto, adems de que el costo de ste es muy elevado y sus soluciones son muycorrosivas. Sin embargo se puede inferir que la velocidad en este medio ser mayor a lasvelocidades que se obtuvieron en las soluciones de cloruro de sodio y bicarbonato de sodio,debido a que se gener una fuerza mayor a las otras soluciones y esta fuerza esdirectamente proporcional a la velocidad del barco.


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CONCLUSIONES

Fue posible desarrollar un prototipo o modelo de lo que sera un barco que trabajara conuna fuerza magntica basada en la MHD.

Se asume que en el medio en el que el barco tendr la mayor velocidad es en el quecontiene Hidrxido de Potasio (KOH); ya que la velocidad del barco es proporcional ala fuerza.

La mayor fuerza se obtuvo en la solucin que se preparo con Hidrxido de Potasio(KOH).

REFERENCIAS

Font,G.I. y Dudley, S.C., (2004), The Physics Teacher, Vol. 42, MagnetohydrodynamicPropulsion for the Classroom. U.S. Air Force Academy, Colorado Springs, CO, DOI:

10.1119/1.1804659 pp 410-415 (Fecha de consulta, 13 de febrero de 2011) Normile, D. y Langreth, R. (1992) Superconductivity goes to sea. Popular Science.

New York. Vol. 241. Pp. 80-86 Wikipedia(2010):LaEnciclopediaLibre,Yamato1,

http://es.wikipedia.org/wiki/Yamato_1 (Fecha de consulta, 13 de febrero de 2011) Wikipedia (2011): La Enciclopedia Libre, Magnetohidrodinmica, Consultado el 15

de Febrero 2011 de: http Wikipedia (2011): La Enciclopedia Libre, Salinidad, Consultado el 26 de Mayo 2011

de: http Imanes(2007):ImanesdeNeodimioURL:

http://imanes.com/imanes_neodimio_descripcion.php Fecha de Consulta 28 de Abril

2011


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ANEXO

Se anexan los resultados de los tiempos obtenidos en las mediciones, as como la tabla delas intensidades de corriente obtenidas de los vasos.

Intensidad de Agua de la llave Bicarbonato de Cloruro de sodio Hidrxido deCorriente (A) sodio potasio

Prueba 1 0.2 3 6 7Prueba 2 0.3 3.2 6.1 7.1Prueba 3 0.2 3.1 6 7.3Prueba 4 0.2 3.5 6 7.2Prueba 5 0.3 3.4 5.9 7Prueba 6 0.1 3.2 5.8 7.2

0.3 3.5 5.6 7.1Prueba 7Prueba 8 0.2 3.7 5.9 7.1

Promedio (mA) 0.225 3.325 5.9125 7.125Campo Magntico 0.3 0.3 0.3 0.3(Teslas)

Fuerza (mN) 0.0675 0.9975 1.77375 2.1375

Tiempo (seg) Bicarbonato de Cloruro de sodiosodio

Prueba 1 17 21Prueba 2 18 20Prueba 3 20 28

Prueba 4 18 25Prueba 5 18 23

Distancia (cm) 17 17Tiempo promedio 18.2 23.4(seg)Velocidad 0.934 0.726Promedio (cm/seg)

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