DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TÚNEL DE VIENTO SUBSÓNICO DE...
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TÚNEL DE VIENTO SUBSÓNICO DE CIRCUITO ABIERTO NATALIA RONCANCIO SILVA, ALEJANDRO REYES MONCADA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN FÍSICA BOGOTÁ D.C 2018
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TÚNEL DE VIENTO SUBSÓNICO DE CIRCUITO
ABIERTO
NATALIA RONCANCIO SILVA, ALEJANDRO REYES MONCADA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN FÍSICA
BOGOTÁ D.C
2018
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TÚNEL DE VIENTO SUBSÓNICO DE CIRCUITO
ABIERTO
NATALIA RONCANCIO SILVA, ALEJANDRO REYES MONCADA
DIRECTOR:
Dr. JOSÉ MANUEL FLOREZ PEREZ
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para obtener el título de Licenciado (a) en
Física
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN FÍSICA
BOGOTÁ D.C
2018
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Nota de aceptación
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Firma
Nombre:
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Firma
Nombre:
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Firma
Nombre:
Jurado
Bogotá, 30 de Enero de 2018
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RESUMEN
Con el fin de brindar una alternativa para la enseñanza y comprensión del concepto de capa
límite en educación media y superior, se realizó una propuesta experimental basada en el
enfoque CTSA (Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente) el cual incorpora tres campos de
estudio (deportivo, aerodinámico y arquitectónico), cada campo incluye distintas prácticas
basadas en situaciones particulares de la mecánica de fluidos, empleando un prototipo de túnel
de viento previamente diseñado y construido.
El túnel de viento desarrollado e implementado para este fin, se realizó con material de bajo
costo, lo cual facilita el acceso de este equipo a instituciones educativas con pocos recursos
económicos. De otro lado, es importante mencionar que durante la implementación de las
experiencias de aula con ayuda del material desarrollado, se hizo uso de nuevas tecnologías, lo
que representó un interés creciente y dinámico del estudiantado en el uso de la herramienta
pedagógica propuesta.
En este trabajo se presenta el desarrollo e implementación del túnel de viento para mejorar
procesos de enseñanza - aprendizaje en el aula, en el área de mecánica de fluidos, el cual, es de
gran interés académico por la multiplicidad de aplicaciones que presenta.
Palabras Clave: Enseñanza, comprensión, capa límite, túnel de viento, desarrollo,
implementación, prácticas experimentales.
5
ÍNDICE
Pág.
1. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………………... 6
2. OBJETIVOS…………………………………………………………………………………. 7
3. CONCEPTOS AERODINÁMICOS...........................................................................................8
3.1 Definición del túnel de viento………………………………………………………….. 8
3.2 Antecedentes del concepto de capa límite………………………………………………8
3.4 Números de Reynolds…………………………………………………………………...9
4. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL TÚNEL DE VIENTO………………………………...14
4.1 Secciones del túnel………………………………………………………………………14
4.1.1 Difusor……………………………………………………………………………. 14
4.1.2 Cámara de pruebas………………………………………………………………....16
4.1.3 Cámara de contracción…………………………………………………………….16
5. IMPLEMENTACIÓN DEL TÚNEL DE VIENTO………………………………………….19
5.1 Encuesta previa a la implementación…………………………………………………….19
5.2 Enfoque CTSA (Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente)……………………………23
5.3 Metodología………………………………………………………………………………24
5.4 Prácticas experimentales……………………………………………………………........25
5.4.1 Práctica 1……………………………………………………………………………25
5.4.2 Antecedentes teóricos………………………………………………………………29
5.4.3 Práctica 2…………………………………………………………………………... 31
5.4.4 Antecedentes teóricos…………………………………………………………….....33
5.4.5 Práctica 3……………………………………………………………………………35
6. CONCLUSIONES…………………………………………………………………………....39
7. BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………..40
8. ANEXO 1………………………………………………………………………………….....42
9. MANUAL DE USUARIO…………………………………………………………………...43
6
1. INTRODUCCIÓN
En la educación secundaría y media la enseñanza de conceptos relacionados con la mecánica
de fluidos en muchas ocasiones se fundamenta en un ámbito teórico, disociado del experimental,
ya sea por la escasez de instrumentos científicos o por la elección del docente. Por otra parte, el
uso inadecuado de las prácticas de laboratorio deteriora el aprendizaje inductivo, ya que la
realización de los experimentos se basa en el seguimiento literal de una guía propuesta por el
docente a cargo. En términos generales, “el uso de la experimentación es eficaz, siempre y
cuando se planteen como investigaciones en torno a problemas” (Carrascosa, 2006, p.4).
El trabajo realizado propone una alternativa para la enseñanza- aprendizaje del concepto de
capa límite por medio del enfoque CTSA (ciencia, tecnología, sociedad y ambiente). La
propuesta abarca situaciones problema de gran importancia para la sociedad, las cuales
incorporan el concepto de capa límite (infraestructura de puentes colgantes, goles que han
marcado la historia del futbol y el diseño de alas de aviones). Las prácticas establecidas para
cada situación problema contribuyen a la tecnología en la educación con la implementación de
un túnel de viento previamente diseñado y construido, aplicaciones de Smartphone como
herramientas para una visualización del movimiento de objetos, simulaciones del
comportamiento de fluido respecto a diversos objetos inmóviles a través de software (Comsol
Multiphysics 5.3, Autodesk Inventor Professional 2016 y CFD Autodesk 2016) y la
incorporación de dispositivos electrónicos para fortalecer una visualización ideal del fluido.
El proyecto radica en buscar la motivación y el interés hacia el conocimiento científico por
parte de la juventud, ya que por una encuesta previa a la implementación de la propuesta los
estudiantes dieron a conocer sus opiniones frente a la física, las cuales evidencian que la
enseñanza del área es totalmente desprovista de herramientas que busquen la comprensión de
conceptos científicos y por ende, el interés por promover un aprendizaje significativo.
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2. OBJETIVOS
Objetivo General:
Diseñar y construir un túnel de viento para la enseñanza y comprensión del concepto de capa
límite en estudiantes de undécimo grado.
Objetivos Específicos:
1. Realizar el diseño y construcción de un modelo del túnel de viento, como instrumento
primordial para el desarrollo de las prácticas.
2. Diseñar una propuesta experimental con una estructura que genere motivación por parte de los
estudiantes en el aprendizaje de temas relacionados con mecánica de fluidos.
3. Desarrollar una propuesta experimental de libre acceso en la cual estudiantes y docentes
puedan realizar diversas contribuciones.
4. Implementar actividades basadas en la aplicación del concepto de capa límite en diversas áreas
de conocimiento.
5. Documentar los resultados obtenidos al implementar la propuesta a estudiantes de undécimo
grado de una institución educativa privada de la ciudad de Bogotá.
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3. CONCEPTOS AERODINÁMICOS.
3.1 Definición del Túnel de Viento.
Un túnel de viento es un instrumento importante para diversos campos del conocimiento
(mecánica y dinámica de fluidos). Gracias a la construcción de este instrumento se puede llevar
a cabo un estudio detallado del fluido de manera cualitativa y cuantitativa respecto a diversos
objetos inmóviles.
“Aunque hay muchas familias de túneles de viento, en general pueden definirse como conductos
que llevan en alguna parte de su trayecto un ventilador accionado por un motor, que se encarga
de que el aire fluya de manera constante a través del cuerpo del mismo” (Silva, 2005, p 18)
En algunas instituciones de educación media y superior los dispositivos de este tipo son
escasos. Un profesor del Departamento de Física de la Universidad Nacional afirma:
“Yo no quería construir un túnel muy grande para evitar riesgos, porque no sabíamos
exactamente que íbamos a obtener, así que la idea fue hacer un túnel pequeño, de bajo costo. En
total, tuvo un costo aproximado de 6 millones de pesos” (Martínez, 2011)1.
3.2 Antecedentes del Concepto de Capa Límite.
La hidromecánica posee dos ramas de gran importancia en la historia de la ciencia (la
hidrodinámica clásica y la hidráulica). La hidrodinámica clásica se basa en un enfoque
puramente teórico, el cual estudia los fluidos sin rozamiento y está caracterizado por las
ecuaciones de Euler-; diferente de la hidráulica, definida como la rama científica que estudia los
fluidos con rozamiento, fundamentada por las ecuaciones de Navier - Stokes e imprescindible del
conocimiento empírico.
Desde finales del siglo XIX se evidenció una separación crucial entre la teoría y la práctica en
el estudio de los fluidos sin rozamiento, ya que se presentaban diversos aspectos contradictorios
de dicha teoría con la práctica, especialmente con la resistencia de los fluidos al movimiento de
los cuerpos. (Schlichting, 1972, p.23)
Sin embargo se le retribuye a Prandtl el éxito de trabajar la teoría junto con la práctica,
estableciendo una hipótesis particular basada en la existencia de dos capas de fluido distribuidas
9
de la siguiente manera: Una alrededor del cuerpo en la que el rozamiento es fundamental y la
otra consta del resto del fluido en el que no se tiene en cuenta el rozamiento. Por otra parte,
fundó sus contribuciones en algunas características por las cuales difieren los flujos ideales de
los reales que están basadas en la existencia de diferentes tipos de fuerza presentes en un flujo
que actúa respecto a un objeto inmóvil.
La presencia de las fuerzas (viscosa, elástica, gravitacional), igualmente la presión y temas
propios de la termodinámica están implícitos en el concepto de capa límite, por lo cual es
indispensable definir muchos de estos de manera puntual considerando la inminente necesidad de
que estudiantes de secundaria puedan familiarizarse con los modelos definidos para la
comprensión de la ideas propuestas por Prandtl respecto a este concepto.
3.3 Ecuación de Euler.
La ecuación de Euler permite utilizar la segunda ley de Newton para determinar la aceleración
de cualquier elemento infinitesimal de fluido incorporando un concepto fundamental que es el de
presión. Considerando al fluido como un medio continuo y logrando establecer las leyes que
rigen el movimiento de los fluidos ideales.
Al considerar el movimiento de un elemento de fluido:
Figura 1. Vector posición y diferencia de presión para un elemento de fluido.
De donde:
𝑟 (𝑡) = 𝑣𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡
𝑟 (𝑡 + ∆𝑡) = 𝑣𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡 + ∆𝑡
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Aplicando las leyes de Newton para el elemento de fluido:
𝑑𝑚 𝑑��
𝑑𝑡= 𝑑𝐹𝑝
+ 𝑑𝐹𝑔 (1)
Las fuerzas que actúan sobre el elemento de fluido son:
𝑑𝐹𝑝 → 𝑇é𝑟𝑚𝑖𝑛𝑜 𝑎𝑠𝑜𝑐𝑖𝑎𝑑𝑜 𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛
Figura 2. Diferencias de presión para un volumen infinitesimal.
𝑑𝐹𝑔 → 𝑇é𝑟𝑚𝑖𝑛𝑜 𝑎𝑠𝑜𝑐𝑖𝑎𝑑𝑜 𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑠 (𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑)
Reescribiendo la ecuación (1) en términos de la densidad, se tiene,
𝜌 𝑑𝑉𝑑��
𝑑𝑡= 𝑑𝐹𝑝
+ 𝑑𝐹𝑔 (2)
Así, la velocidad 𝑣 (𝑥 (𝑡), 𝑦 (𝑡), 𝑧 (𝑡), 𝑡), varía con el tiempo implícitamente y explícitamente.
De este modo:
𝑑��(𝑥(𝑡), 𝑦(𝑡), 𝑧(𝑡), 𝑡))
𝑑𝑡=
𝜕��
𝜕𝑡+ (��. ∇)�� (3)
Donde (��. ∇) es un producto escalar, dado por:
(��. ∇) = 𝑣𝑥𝜕
𝜕𝑥+ 𝑣𝑦
𝜕
𝜕𝑦+ 𝑣𝑧
𝜕
𝜕𝑧 (4)
Si �� = 𝑣𝑥 𝑖 + 𝑣𝑦 𝑗 + 𝑣𝑧 𝑘 , su derivada temporal está definida como:
𝑑��
𝑑𝑡=
𝑑𝑣𝑥
𝑑𝑡 𝑖 +
𝑑𝑣𝑦
𝑑𝑡 𝑗 +
𝑑𝑣𝑧
𝑑𝑡 𝑘 (5)
Reescribiendo la ecuación (3) se tiene:
𝜌 𝑑𝑉 [(��. ∇) �� +𝜕��
𝜕𝑡] = (−∇𝑃)𝑑𝑥 𝑑𝑦 𝑑𝑧 + 𝑑𝑚 𝑔 (6)
11
𝜌 𝑑𝑥 𝑑𝑦 𝑑𝑧 [(��. ∇) �� +𝜕��
𝜕𝑡] = (−∇𝑃)𝑑𝑥 𝑑𝑦 𝑑𝑧 + 𝜌 𝑑𝑥 𝑑𝑦 𝑑𝑧 𝑔 (7)
−1
𝜌∇ 𝑃 − 𝑔 ∇𝑧 =
𝜕��
𝜕𝑡+ (��. ∇) �� (8)
Donde la ecuación (8) representa la forma diferencial de la segunda ley de movimiento de
Newton para un fluido ideal, donde no existen esfuerzos de corte.
3.4 Viscosidad.
Es un concepto relacionado con la fricción o rozamiento presente en la interfaz de diversos
materiales (entre capas de fluido o entre el fluido y una superficie sólida), para lo cual se hace
una idealización del flujo en capas. Las fuerzas moleculares en el fluido son afectadas
fundamentalmente por los cambios de temperatura que sufra el sistema físico (un liquido, cuyas
moléculas dejan espacios entre ellas mucho más cerrados que las de un gas, tiene fuerzas
cohesivas mucho mayores que un gas), de este modo, la viscosidad de un gas aumenta con la
temperatura pero la viscosidad de un líquido disminuye con la temperatura. Así la cohesión
resulta ser la causa predominante de la viscosidad de un líquido o un gas y es aquella propiedad
de un fluido por virtud de la cual ofrece resistencia al corte.
3.5 Ecuaciones de Navier – Stokes.
Son un conjunto de ecuaciones que están definidas en derivadas parciales no lineales y
permiten caracterizar y describir el movimiento de un fluido sea líquido o gaseoso. Estas
ecuaciones tienen una gran aplicabilidad en muchas áreas sumamente importantes al modelar
fenómenos verdaderamente complejos y permiten abarcar el caso real de un fluido con
viscosidad.
Inicialmente las ecuaciones fueron definidas de forma extensa, situación que cambió a partir
del siglo XIX cuando los matemáticos desarrollaron una notación y un método para analizar
cantidades que variaban de manera multidireccional conocido como cálculo vectorial. Esto
permitió reescribir las ecuaciones de Navier - Stokes de forma más compacta:
𝜕��
𝜕𝑡+ (�� . ∇)�� = 𝑣∆�� − ∇𝑃 + 𝑭 𝑆𝑖 ∇. �� = 0 (9)
Donde
�� = (𝑢𝑥 , 𝑢𝑦 , 𝑢𝑧) → 𝐶𝑎𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.
12
𝑃 → 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑞𝑢𝑒 𝑎𝑐𝑡ú𝑎 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑭 = (𝑓𝑥 , 𝑓𝑦 , 𝑓𝑧) → 𝐶𝑎𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑎𝑐𝑡ú𝑎𝑛 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.
De no existir fuerzas externas la ecuación (1) puede escribirse como:
𝜕��
𝜕𝑡+ (�� . ∇)�� = 𝑣∆�� − ∇𝑃 𝑝𝑎𝑟𝑎 ∇. �� = 0 (10)
Se espera que las soluciones para estas ecuaciones satisfagan ciertas propiedades con
regularidad para que sean soluciones físicamente plausibles, para lo cual deben imponerse
restricciones sobre las condiciones iniciales y las fuerzas involucradas.
3.6 Número de Reynolds.
Es un parámetro que permite establecer una comparación entre la influencia de las fuerzas
inerciales sobre las fuerzas viscosas o viceversa, resultando un valor adimensional que
caracteriza el tipo de flujo que se presenta (laminar o turbulento).
Figura 3. Influencia de la viscosidad sobre capas superficiales de un elemento de fluido en movimiento.
La fuerza existente entre dos capas de fluido en relación a su superficie puede definirse como:
𝐹𝑉
𝑆= 𝜂
𝑑��
𝑑𝑧 (11)
Dónde:
𝐹𝑉 𝑅𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑙𝑎𝑠 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑎𝑠.
𝜂 𝑅𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑.
𝑑�� 𝑅𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑙𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑑𝑜𝑠 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.
𝑑𝑧 𝑅𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑙𝑎𝑠 𝑑𝑜𝑠 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛.
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Se compara esta fuerza viscosa con otra que permita establecer que fuerza resulta dominante en
el arrastre del fluido.
Como (11) es una fuerza que tiene la tendencia de llevar el fluido al reposo, entonces resulta útil
compararla con una fuerza que esté definida por la inercia de un elemento infinitesimal de fluido.
Así:
𝐹𝐼
𝑆=
𝑚𝑎
𝑆 (12)
Si 𝜌 =𝑚
𝑉, entonces:
𝑚 = 𝜌 𝑉 (13)
𝑚 = 𝜌 𝑆 𝑑𝑧 (14)
De modo que:
𝐹𝐼
𝑆=
𝜌 𝑆 𝑑𝑧𝑑��
𝑆 𝑑𝑡 (15)
Si 𝑑𝑧
𝑑𝑡= 𝑣𝑧 (Velocidad perpendicular), entonces:
𝐹𝐼
𝑆= 𝜌𝑣𝑧 𝑑�� (16)
Comparando las fuerzas:
𝐹𝐼
𝑆
𝐹𝑉
𝑆
= 𝜌𝑣𝑧 𝑑��
𝜂 |𝑑��𝑑𝑧
| (17)
Simplificando la ecuación (17) se obtiene el parámetro adimensional introducido por Osborne
Reynolds en 1883:
𝑅𝑒 =𝜌𝑣𝑧𝑑𝑧
𝜂 (18)
La constante de Reynolds permite asociar la inercia que da la tendencia al fluido de seguir en
movimiento sin importar la presencia de obstáculos en su trayectoria comparado con la
capacidad del fluido de evitar los obstáculos en su trayectoria.
De este modo, en cuanto mayor sea la influencia de alguna de estas fuerzas sobre la otra, dará
lugar a los regímenes laminar y turbulento típicos en la dinámica de los fluidos.
14
Así:
𝑅𝑒 =𝜌𝑣𝑧𝐷
𝜂 (19)
Donde D reúne la información respecto a las dimensiones y el tamaño del capilar. Resultando
en que para Re >> 1, se tiene turbulencia y para Re<<1 se obtiene laminaridad en el flujo. Es
importante tener en cuenta que los valores estándar de este número pueden variar en términos del
tipo de conducto por el que fluye el fluido en cuestión, su densidad (compresible o
incompresible) , su viscosidad (dinámica y cinemática) y la velocidad media con que viaja.
4. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL TÚNEL DE VIENTO
4.1 Secciones del Túnel de Viento.
Para diseñar un túnel de viento es indispensable seleccionar con anterioridad la clasificación
basados en su arquitectura, tamaño y velocidad. Teniendo en cuenta los amplios costos que
implican la construcción de una categoría particular, se seleccionó un túnel de viento
bidimensional de circuito abierto por succión, compuesto por tres piezas primordiales para un
adecuado funcionamiento. El modelo diseñado se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Partes de un túnel de viento bidimensional de circuito abierto por succión.
15
4.1.1 Difusor.
Tiene como función equilibrar la presión del flujo de aire al interior de la cámara de pruebas,
es indispensable tener en cuenta que el comportamiento del flujo al interior del difusor depende
de su geometría.
“La mayoría de los conocimientos sobre los difusores es totalmente empírica, por lo que son
sensibles a errores de diseño”
A continuación se muestra la secuencia de diseños realizados:
a)
b)
c)
Figura 2. a) Construcción del difusor con materiales de fácil adquisición (cartón paja). b) Modelo del difusor en
acrílico. c) Difusor distribuido en dos partes
16
4.1.2 Cámara de Pruebas.
Es una sección del túnel de viento fundamental, ya que a través de ella se visualiza el
comportamiento de flujo de aire respecto a un objeto inmóvil. Se caracteriza por estar hecha de
un material resistente y totalmente transparente. Se evidencia en la siguiente figura:
a)
b)
Figura 3. a) Primera construcción de la cámara de pruebas construida en cartón paja. b) Segunda construcción de la
cámara de pruebas construida en acrílico transparente.
4.1.3 Cámara de Contracción.
La cámara de contracción es una sección del túnel de viento que tiene como función acelerar
el flujo logrando que el grosor de la capa límite se reduzca y, posteriormente, se dirija a la
cámara de pruebas. En uno de sus accesos (el de mayor amplitud) se ubica una rejilla de panal
para reducir al máximo las turbulencias del aire, proveniente del exterior del túnel y, garantizar
un comportamiento adecuado de la velocidad del flujo en su recorrido por la cámara de
contracción.
Para el diseño de la cámara de contracción se emplea el programa Comsol Multiphysics 5.3 el
cual es un paquete de software de análisis y resolución por elementos finitos para aplicaciones
físicas, especialmente para fenómenos acoplados o multifísicos.
17
No existe un método completamente satisfactorio para el diseño de una contracción en 3
dimensiones. Lo más difícil es que cualquier contracción de dimensiones finitas tiene regiones de
gradientes de presión adversa cerca del final de las paredes, debido a la existencia de variaciones
de presiones en las paredes cerca de donde terminan las contracciones. (Silva, 2005, p. 74)
Teniendo en cuenta lo anterior, se define la geometría de la cámara de contracción por medio
de un método gráfico experimental basado en elipses tangentes en un plano cartesiano
empleando un eje de simetría, ver Figura 7.
Figura 7. Método gráfico experimental
Son utilizadas dos elipses (E1 y E2) cuyas geometrías coinciden en un punto de intersección.
Las ecuaciones de las elipses son:
𝐸1 : 𝑋2
372+
(𝑌−17,02)2
15,52= 1; {
𝑎 = 37𝑐𝑚 (Semieje mayor) 𝑏 = 15,5𝑐𝑚 (Semieje menor)
𝑒1 = 0.91 (excentricidad)
𝐸2 : (𝑋−49,8)2
222+
𝑌2
15,52= 1; {
𝑎 = 22𝑐𝑚 (Semieje mayor)
𝑏 = 15,5𝑐𝑚 (Semieje menor)𝑒2 = 0.71 (excentricidad)
Estas ecuaciones poseen los parámetros geométricos necesarios para lograr que la cámara de
contracción conserve una curvatura suave y una longitud conveniente para que el flujo se
comporte adecuadamente en su paso a la cámara de pruebas.
18
Se selecciona el área que corresponde a la sección para hacer una extrusión y obtener la pieza en
tres dimensiones.
a) b)
Figura 8. a) Área que conforma la cámara de contracción. b) Extrusión tridimensional del área.
Luego de obtener la sección en tres dimensiones se procede a realizar la simulación del flujo al
interior de la cámara de contracción para tener una referencia de su comportamiento en distintas
regiones. Para esto es necesario ajustar las condiciones iniciales del modelo que ejecuta Comsol
Multiphysics 5.3 y el mallado por elementos finitos de la estructura, teniendo en cuenta que el
tiempo de ejecución de la simulación depende de la resolución de la malla y del tipo de
procesador con que cuenta el ordenador.
a) b)
c)
Figura 9. a) Mallado de la cámara de contracción. b) Distribución de velocidades. c) Distribución de presiones.
La información arrojada por la simulación es el punto de partida para la prefabricación de la
cámara de contracción en un material que fuese de fácil manejo y bajo costo (cartón
arquitectónico “paja”).
19
a)
b)
Figura 10. Prefabricación de la cámara de contracción. a) Vista lateral. b) Vista frontal.
Luego de someter a pruebas la cámara en su conjunto con las demás secciones, la versión
prefabricada de la cámara de contracción es replicada en un material rígido y liso (acrílico
traslúcido de 3 y 5 mm) adicionando bridas de unión en sus extremos, haciendo a la sección
acoplable.
Figura 11. Cámara de contracción terminada. a) Vista lateral. b) Sección transversal menor. c) Sección transversal
mayor.
a)
b)
c)
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5. IMPLEMENTACIÓN DE LA PROPUESTA EXPERIMENTAL
5.1 Encuesta previa a la implementación.
Como acción previa a la implementación de la propuesta para la enseñanza – comprensión del
concepto de capa límite, se realizó una encuesta a 60 estudiantes de undécimo grado con la
finalidad de conocer el punto de vista respecto al área de Física. A continuación se muestran las
preguntas con su respectivas graficas:
1. La física es una asignatura:
A. Difícil
B. Aburrida.
C. Útil.
D. Inútil.
11°A (33 estudiantes) 11°B (27 estudiantes)
Figura 12. Gráficas circulares de los resultados dados en la pregunta 1.
2. Considera que la principal dificultad para comprender la física se debe a:
A. Requiere gran capacidad de abstracción.
B. Requiere tener buena memoria.
C. Poca utilidad cotidiana.
D. Falta de interés.
E. Metodología del docente.
F. Malas bases matemáticas.
G. Otra.
A 9%
B 3%
C 88%
D 0%
A 26%
D 0% C
74%
B 0%
21
11°A (33 estudiantes) 11°B (27 estudiantes)
Figura 13. Gráficas circulares de los resultados dados en la pregunta 2.
3. ¿Con qué frecuencia relaciona eventos cotidianos con algunos conceptos físicos?
A. Nunca
B. Ocasionalmente
C. Frecuentemente
D. Siempre
11°A (33 estudiantes) 11°B (27 estudiantes)
Figura 14. Gráficas circulares de los resultados dados a la pregunta 3.
4. La aparente falta de accesibilidad en algunos temas de la física considera que pueden deberse
a:
A. La utilización de un lenguaje muy técnico.
B. Se enlazan muchos conceptos.
C. El uso de una matemática compleja.
D. Es confusa y contradictoria.
A 30%
B 34% C
3%
D 24%
E 3%
F 0% G
6%
A 26%
B 22%
C 0%
D 15%
E 7%
F 19%
G 11%
A 6%
B 67%
C 21%
D 6%
A 7%
B 67%
C 22%
D 4%
22
Figura 15. Gráficas circulares de los resultados dados a la pregunta 4.
5. ¿Considera fundamental la realización de las prácticas experimentales?
A. Si.
B. No.
11°A (33 estudiantes) 11°B (27 estudiantes)
Figura 16. Gráficas circulares de los resultados dados a la pregunta 5.
6. ¿Qué actividad en la práctica de laboratorio le interesa más?
A. El montaje de dispositivos y equipos.
B. Registro de los datos experimentales.
C. Análisis de datos.
D. Las conclusiones.
E. Ninguna.
11°A (33 estudiantes) 11°B (27 estudiantes)
A 18%
B 11%
C 67%
D 4% A
18%
B 3%
C 70%
D 9%
A 85%
B 15%
A 100%
B 0%
23
11°A (33 estudiantes) 11°B (27 estudiantes)
Figura17. Gráficas circulares de los resultados dados a la pregunta 6.
Teniendo en cuenta los resultados anteriores se evidencia que en la concepción del aprendizaje
de la física para 60 estudiantes de undécimo grado es esencial la memorización y el desarrollo
de actividades experimentales para generar la comprensión de temas científicos. Es importante
destacar que al desarrollar prácticas de laboratorio en el método cotidiano, afianzadas en el
seguimiento de instrucciones dadas por el docente, los estudiantes muestran dificultad para
analizar resultados o describir cualitativamente un experimento dado incorporando conceptos
científicos, lo que significa que la implementación de laboratorios en el aula no suple la teoría y
tampoco contribuye a la comprensión de un tema si se realizan de manera inadecuada, es decir,
como el seguimiento de recetas a seguir. Por otra parte, en la física teórica estudiada en
educación media es imprescindible el uso adecuado de un andamiaje matemático amplio, lo que
en ocasiones los estudiantes consideran dificultoso por la insuficiencia de conocimiento
matemático, acudiendo a la memorización de ecuaciones y fórmulas para “comprender” la
asignatura, deteriorando el aprendizaje significativo y ocasionando una errada concepción de la
física.
5.2. Enfoque CTSA (ciencia, tecnología, sociedad y ambiente).
Es uno de los enfoques pedagógicos que permite implementar prácticas de laboratorio en el
aula basadas en la solución de preguntas problema presentes en la sociedad actual contribuyendo
al conocimiento del desarrollo tecnológico, fomentando el ámbito de investigación en diversas
comunidades estudiantiles y promoviendo el interés por el conocimiento científico ya que
A 70%
B 6%
C 9%
D 15%
E 0%
A 59% B
15%
C 11%
D 15%
E 0%
24
relaciona la cotidianidad del estudiantado con los contenidos establecidos para el área de física.
Fernández y Pires (como se citó en Pires, 2014)3 consideran que en una sociedad altamente
tecnológica como la actual, donde los avances científicos son casi diarios, la educación en
ciencias con orientación CTSA además de una exigencia, es una necesidad.
Por otra parte es indispensable generar un cambio de orientación pedagógica en instituciones
educativas de educación media para promover un pensamiento crítico con la finalidad de que los
jóvenes puedan enfrentar con seguridad problemas presentes en diversos contextos sociales y
estén al tanto de los avances tecnológicos.
5.3 Metodología.
A continuación se muestran una serie de pasos usados para la realización de las prácticas
experimentales en el proceso de enseñanza – aprendizaje del concepto de capa límite, basados en
el enfoque CTSA y propuestos por Carrascosa [2] aclarando que no se sigue al pie de la letra los
10 apartados expuestos en el artículo para realizar prácticas de laboratorio con un enfoque
investigativo:
1. Dar a conocer la situación problema que se pretende estudiar por medio de un video o
lectura informativa, sin tener en cuenta el argumento científico que explica la causa de tal
acontecimiento.
2. Promover la reflexión acerca de las implicaciones que tiene la existencia del problema
planteado en la sociedad actual.
3. Ofrecer un espacio propicio para que en equipos de máximo 4 estudiantes planteen diversas
hipótesis referentes a la problemática establecida en un inicio, incluyendo magnitudes físicas que
consideran importantes para una posible solución.
4. Con la asesoría del docente, los estudiantes debaten el procedimiento experimental o teórico
que aplicarán para verificar las hipótesis, haciéndolos partícipes en el diseño y construcción de
herramientas o instrumentos utilizados en una práctica dada. Carrascosa afirma:
25
“Conviene insistir en que resulta fundamental que los estudiantes tengan ocasión de participar en
la elaboración de diseños experimentales, en vez de seguir guías detalladas ya preparadas por los
profesores”
Se incorpora el túnel de viento como un instrumento que contribuya a las prácticas que quieran
desarrollar los estudiantes.
5. Realizar un análisis cualitativo de los resultados obtenidos y contrastarlos con las hipótesis
planteadas.
6. Incorporar teóricamente el concepto de capa límite con el propósito de dar a conocer a los
estudiantes la inminente necesidad de adquirir su conocimiento para explicar científicamente las
causantes que generaron la problemática estudiada, sin dejar a un lado las hipótesis planteadas
desde un inicio.
5.4. Prácticas experimentales.
5.4.1 Práctica 1: Perfiles arquitectónicos.
El concepto de capa límite prevalece en las descripciones cualitativas del comportamiento de
flujo de aire respecto a diversas edificaciones. Para aplicar el enfoque CTSA se plantean
preguntas problema de gran impacto social basada en la caída de puentes colgantes, haciendo
énfasis en un suceso particular (el colapso estructural del puente de Tacoma en 1940).
Objetivo: Analizar el comportamiento de capa límite en distintos perfiles arquitectónicos de
puentes colgantes y estructuras.
Preguntas problema:
- ¿Cuál es la causa que llevó al colapso del puente estructural de Tacoma?
- ¿Qué importancia tiene el conocimiento del comportamiento del fluido de aire al interior
de una edificación?
26
Materiales: A continuación se muestra un listado de herramientas, las cuales pueden ser usadas
con total libertad dependiendo de la práctica propuesta por cada equipo de trabajo para verificar
las hipótesis planteadas.
- Túnel de viento.
- Laser rojo (630-670 nm) o verde (532nm).
- Cámara fotográfica o Smartphone.
- Cartón paja, tijeras, regla, pegamento y lápiz.
Hipótesis:
¿Qué importancia tiene el conocimiento del comportamiento del fluido de aire al interior de una
edificación?
Equipo No. Hipótesis planteadas
1
- Ver como las estructuras interactúan con el aire en su interior.
- Para prevenir el acumulamiento de moléculas nocivas para la salud.
- Para observar hacia donde se mueve el aire cuando esta al interior de las
edificaciones
2
Conociendo la altura de la estructura y la velocidad y densidad del aire, estos dos
parámetros puede afectar la edificación ya que se ejercería una presión al edificio y
dependiendo del material reaccionaria de diversas formas
3
Analogías:
- Si un médico quiere practicar una cirugía necesita saber que componentes existen
en el aire.
- Al momento de disparar un arma se debe tener en cuenta el flujo de aire para que
la bala no se curve y llegue a su destino.
- Al practicar paracaidismo se debe tener en cuenta el flujo de aire para tener un
buen aterrizaje.
¿Cuál es la causa que llevó al colapso estructural del puente de Tacoma?
Equipo No. Hipótesis planteadas
4
- El flujo de aire modifica la tensión en las cuerdas del puente colgante.
- Los extremos del puente colgante no se quiebran ya que en ellos se encuentra el
nivel de referencia y apoyo.
- Las fuerzas que ejerce el aire sobre el puente eran las mismas que las fuerzas
ejercidas sobre el mar, sin embargo, como la densidad del agua es mayor que la
del aire en el mar no se producen movimientos bruscos a comparación de un
puente colgante.
5
- El puente no recibió viento de manera laminar, sólo turbulenta.
- Las cuerdas del puente no tenían una tensión máxima.
- No existía una base en la mitad del puente que lo sujetara e impidiera su caída.
6
- Malos materiales.
- En el momento de hacer las pruebas el puente colgante no fue sometido a grandes
presiones.
27
- La capa de fluido externa es atraída hacia el centro de masa por la gravedad.
7
- La temperatura afecta el concreto haciendo que sea flexible parecido a la gelatina.
- El centro de masa del puente era muy frágil.
Tabla 1. Hipótesis escritas por un grupo de estudiantes de undécimo grado referente a dos preguntas problema
basadas en un ámbito arquitectónico.
Verificación de hipótesis: Varios equipos optaron por generar la construcción de modelos de
puentes colgantes e infraestructuras en cartón paja para incorporarlos a la cámara de pruebas y
realizar una descripción detallada del flujo de aire respecto a los modelos diseñados y
construidos. Conociendo el proceso experimental que querían realizar, se les presentó diversos
perfiles arquitectónicos de algunos puentes, los cuales se muestran a continuación.
PERFILES DE SECCIÓN TRANSVERSAL
a) b)
c)
Figura 15. a) Perfil del puente sobre el Severn (Aust - Inglaterra). b) Puente de Tsing Ma (Hong Kong- China). c)
Puente de Kurushima (Imabari - Japón).
Las dimensiones de cada perfil no deben superar un área de 6cm x 12cm y debe tener una base
que pueda ser perforada para anclar al motor de posición en la cámara de pruebas del túnel de
viento, como se observa en la figura 7.
28
Figura 16. Perfil tridimensional en cartón paja
Resultados obtenidos. En la Fig. 8 se muestran algunos perfiles construidos por los estudiantes.
a) b)
c)
Figura 20. a) Modelo de un puente de Tsing Ma (Hong Kong- China) b) Modelo de hogar c) Modelo de
puente del Severn (Aust - Inglaterra)
A continuación se observa la visualización de flujo respecto a un perfil construido por un
equipo de estudiantes:
29
a) b)
Figura 21. Montaje de perfil arquitectónico en el túnel de viento.
5.4.2 Antecedentes teóricos
El colapso estructural del puente de Tacoma en 1940 sin lugar a duda resultó ser un evento
que desconcertó a la comunidad científica en cuanto a los modelos que debían ser considerados
para la puesta en marcha de un proyecto tan ambicioso para entonces. Importantes físicos e
ingenieros tomaron cartas en el asunto logrando establecer dos argumentos que aún se discuten
pero cuya base se centra en el análisis de las oscilaciones forzadas y el fenómeno de resonancia.
Los dos principales modelos que resultan motivo de debate para la explicación más acertada
del comportamiento del puente colgante en el desafortunado evento son denominados, el modelo
de resonancia no lineal y el modelo de flameo torsional.
Para conocer acerca del modelo de flameo torsional resulta útil identificar un efecto muy
interesante de la dinámica de fluidos y son los llamados vórtices de Von Karman. Consiste
fundamentalmente en el desprendimiento de la capa límite bajo determinadas condiciones de
viscosidad y factores de forma. Este desprendimiento desencadena una sucesión de vórtices que
señalan diferentes frecuencias con las que se producen y su alternancia da lugar a la existencia de
fuerzas periódicas.
30
a) b)
Figura 22. Emisión de vórtices con números de Reynolds altos y bajos: a) Re = 10.000 (fotografía de Thomas Corke
y Hassam Nagib); b) Re = 140 (fotografía de Sadatoshi Taneda). [5]
Inicialmente este efecto fue obtenido con perfiles cilíndricos, no obstante se han logrado
resultados similares que concluyen con la idea de que la forma del perfil no es un factor
dominante en el desarrollo de la calle de vórtices. Además este fenómeno puede extenderse
desde escalas muy pequeñas hasta escalas mayores como por ejemplo en corrientes atmosféricas.
Von Karman y sus colaboradores en un informe detallado sobre el colapso del puente colgante
definieron que existía un fenómeno denominado “Negative Damping” (amortiguamiento
negativo), el cual está relacionado con el llamado “flameo”. En este flameo se desarrolla una
inestabilidad aerodinámica que vincula distintas fuerzas (elásticas, amortiguadoras, inerciales,
aerodinámicas).
El modelo de flameo plantea la posibilidad oscilaciones por flexión y por torsión, de modo que
para el análisis torsional las primeras son despreciables. El modelo puede representarse a través
de las ecuaciones típicas de un oscilador forzado, en este caso, por un torque excitador. Este
torque depende del movimiento del viento y el movimiento propio del puente, esta dependencia
es conocida como una autoexcitación aerodinámica.
Cuando la frecuencia de oscilación del torque excitador se aproxima a algunos valores de la
frecuencia natural de oscilación del puente se presenta el fenómeno de amortiguamiento que en
términos matemáticos puede abreviarse con un coeficiente de amortiguamiento total, tanto
mecánico, como aerodinámico. Así, si dicho coeficiente es mayor que cero (C > 0), las
oscilaciones son amortiguadas; si el coeficiente es igual a cero (C = 0), la amplitud de las
oscilaciones se mantiene constante y la velocidad del aire es la velocidad crítica de flameo; sin
31
embargo, si el coeficiente de amortiguamiento es menor que cero (C < 0), entonces se presenta el
amortiguamiento negativo (Negative Damping) en donde la energía transferida por el viento es
mayor a la energía que el sistema puede disipar logrado que existan oscilaciones de gran
amplitud y provoque el colapso de la estructura.
El modelo de resonancia no lineal propuesto por McKenna establece que el modelo de flameo
torsional es incompleto al no considerar las oscilaciones por flexión y asumir el comportamiento
de las fuerzas como lineales. De esta manera el modelo de McKenna determina la existencia de
una fuerza excitadora de carácter sinusoidal cuya frecuencia y amplitud son constantes.
Las ecuaciones de movimiento que describen el comportamiento del puente por medio del
modelo de McKenna, son ecuaciones diferenciales no lineales, las cuales son susceptibles de
tomar comportamientos abruptos en la amplitud de las oscilaciones torsionales, pues las
soluciones de estas ecuaciones son inestables para determinadas condiciones iniciales.
La principal dificultad que presenta este modelo es que no tiene una coincidencia experimental y
tampoco logra explicar el origen de la fuerza excitadora con las características de amplitud y
frecuencia constante.
5.4.3 Práctica 2: Efecto Magnus
El fútbol es una de las mayores pasiones de muchos estudiantes y corresponde a un deporte
que incorpora múltiples conceptos científicos, por tal razón se planteo está práctica basado en el
análisis de un gol que marco la historia del futbol, realizado por Roberto Carlos en 1997. Es
importante destacar que este tema promovió el interés en los estudiantes por afianzar la física
con un deporte de gran fascinación.
Objetivo: Identificar el efecto Magnus en diversas superficies en movimiento.
Pregunta problema:
- ¿La explicación del gol de tiro libre realizado por Roberto Carlos en el partido contra
Francia en 1997 es una cuestión de suerte?
32
Materiales:
- Tracker o aplicación android VidAnalysis.
- Smartphone.
- Pelota de plástico con 21,5 cm de diámetro aproximadamente.
- 1 metro y 1 tiza.
Hipótesis:
En la Tabla 2 se muestran las hipótesis planteadas por los estudiantes:
¿La explicación del gol de tiro libre realizado por Roberto Carlos en el partido contra
Francia en 1997 es una cuestión de suerte?
3
- El efecto producido por el balón en el mundial fué cuestión de suerte.
- Radica en la manera en que se golpea el balón.
- El balón utilizado en esa época era de un material más liviano lo que permite que
se genere una trayectoria curva e ingrese al arco.
4
- El efecto producido depende en que punto de la pelota Roberto golpeó.
- Realizó el gol por los efectos del aire sobre la pelota ya que ocasiona presión
sobre el balón.
- Para que se produzca este efecto el balón debe girar en todo el trayecto, de lo
contrario el balón tendría una trayectoria recta.
Verificación de hipótesis:
Un equipo de estudiantes manifiesta que juegan este deporte y que es difícil lograr este suceso,
por tanto proponen realizar tiros libres con un balón más liviano que el de fútbol para que se
evidencie el efecto planteado en la pregunta problema ya que es más propicio que su movimiento
altere continuamente por los efectos del aire. Al gravar en cámara lenta los tiros libres,
manifestaron la presencia de movimiento rectilíneo y parabólico, considerando que la
matemática implícita para contestar la pregunta problema está basada en las ecuaciones de
dinámica clásica estudiadas en bimestres anteriores. Sin embargo concluyeron que ninguno de
los tiros libres estaba asociado al realizado por Roberto Carlos y que era esencial cambiar el
experimento para verificar las hipótesis o tener en cuenta otros parámetros físicos que estaban
desestimando por escaso conocimiento en el área.
Sin excluir la propuesta de los estudiantes, se les sugiere descargar la aplicación VidAnalysis
de android en sus dispositivos móviles (completamente gratuita) o Tracker en un computador
33
con la finalidad de exportar los videos grabados y analizar las magnitudes físicas que interfieren
en los tiros libres. A continuación se muestra una imagen correspondiente a un tiro libre.
Figura 23. Tiro libre exportado a Tracker
5.4.4 Antecedentes teóricos.
El efecto Magnus está presente en el movimiento curvo de los tiros con efecto que son muy
frecuentes en muchos deportes que involucran el uso de balones o pelotas deportivas.
El mecanismo con que se desarrolla este efecto tiene como fundamento la ecuación de
Bernoulli y los conceptos de presión, energía cinética y energía potencial gravitacional.
Cuando un balón o pelota deportiva se encuentra en movimiento rotacional en el seno de una
corriente de fluido (por lo general aire), arrastra consigo una pequeña capa de aire por efecto de
la fricción. Como el objeto también tiene asociado un movimiento traslacional, está rodeado de
líneas de flujo con velocidad relativa al movimiento del balón o pelota deportiva logrando por
consiguiente una descompensación de velocidad en los hemisferios del balón o pelota. En la
región del balón donde experimenta una mayor velocidad, las líneas de flujo están más cerca
entres sí, y la presión resulta ser menor que en la región de menor velocidad, por ende, el balón o
pelota deportiva experimenta una fuerza resultante que lo desvía de su trayectoria rectilínea.
34
Figura 24. Deformación de los elementos de la capa límite por una esfera que rota en sentido dextrógiro
[1].
El efecto Magnus cambia su dinámica en relación al diseño con que son fabricados los balones
y pelotas deportivas, de este modo, por ejemplo, la pelota de baseball tiene una costura que
resulta definitiva para los lanzamientos rápidos y con efectos proporcionados por el Pitcher para
que el bateador falle sus intentos.
Por otra parte, las pelotas de golf tienen en su superficie pequeñas deformaciones (alvéolos)
que producen gran turbulencia en su superficie; De esta forma, la separación del flujo turbulento
es menor que la del flujo laminar y la resistencia del aire causada por la presión es menor, así se
puede lograr un mayor alcance en el lanzamiento Distintos tipos de balón de fútbol se han
utilizado en los diferentes mundiales que se han celebrado y con cada avance en relación al
análisis aerodinámico de estos elementos deportivos surgen propuestas que resultan en
espectaculares jugadas que han marcado huella en la historia del deporte mundial.
No obstante el deporte no es la única disciplina en la que han sido útiles estos estudios, en
propulsión de vehículos, por ejemplo, se han desarrollado prototipos y versiones reales de
vehículos como el barco Buckau (1924), el cual utilizaba rotores Flettner que aprovechan los
vientos cruzados que al pasar por los grandes rotores cilíndricos lograban que el efecto Magnus
pudiese propulsar la nave.
35
También en algunas aeronaves sustituyeron las alas por rotores cilíndricos que lograban
mayores elevaciones que las tradicionales alas. Sin embargo, tal beneficio se desvirtuaba por la
gran resistencia que representa su diseño y la poca practicidad que ofrece.
5.4.5 Práctica 3: Perfiles Alares
Objetivo: Visualizar el comportamiento de la capa límite en distintos perfiles alares.
Preguntas problema:
- ¿Cómo pueden despegar los aviones?
Materiales.
- Microsoft EXCEL
- Autodesk Inventor Professional 2016
- Autodesk CFD 2016
- Cartón paja
- Perfiles reales aerodinámicos
Hipótesis:
¿Por qué usan alerones los automóviles de competencia?
Equipo No. Hipótesis planteadas
1
- En los autos los alerones sirven para cortar el viento.
- Un carro puede volar si tiene alas a un ángulo determinado.
2
- Usan alerones para romper el aire.
- Sirven para que después de tanto impulso el auto no salga volando y se mantenga
adherido al piso.
Tabla
Verificación de hipótesis.
36
Los estudiantes proponen el diseño y construcción de perfiles alares para incorporarlos en el
túnel de viento. Teniendo en cuenta la propuesta, se les sugiere descargar las coordenadas
cartesianas de cualquier perfil aerodinámico, desde UIUC Applied Aerodynamics Group,
exportar los datos a EXCEL para realizar el gráfico de diversos perfiles y, posteriormente,
construir un modelo en 3D para ingresarlo a la cámara de pruebas y analizar cualitativamente el
comportamiento de flujo de aire. A continuación, se muestran dos perfiles alares graficados en
EXCEL, las coordenadas se establecen en el ANEXO 1.
Figura 25. Perfil alar A18 graficado en EXCEL con las coordenadas establecidas en [11] Anexo 1
Figura 26. Perfil alar NACA2414 graficado en EXCEL con las coordenadas establecidas en [11] Anexo 1
Los modelos construidos por los estudiantes, se muestran en la figura 27.
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
PERFIL ALAR A18
-0,1
-0,05
0
0,05
0,1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
PERFIL ALAR NACA2414
37
Figura 27. Perfiles alares construidos por los estudiantes teniendo en cuenta las coordenadas establecidas en UIUC
Applied Aerodynamics Group (ANEXO 1).
Haciendo uso del túnel de viento los estudiantes realizaron una caracterización del flujo de
aire variando el ángulo de inclinación de los perfiles alares construidos. Para una mayor
contribución se empleo Autodesk Inventor Professional 2016, el cual permitió diseñar un modelo
en 2D de los perfiles alares importando las coordenadas (ANEXO 1) desde Microsoft Excel, tal
como se muestra en la figura 25.
a)
b)
Figura 28. Perfil alar A18 2D a) Visualización del perfil en el plano YZ b) Visualización del perfil en el plano XY
38
Posteriormente, se realiza una extrusión o profundidad de 3m de longitud del perfil anterior
para cambiar a un modelo 3D (figura 29).
a)
b)
Figura 29. Modelo 3D de dos perfiles alares a) Modelo 3D perfil alar A18 b) Modelo 3D perfil alar NACA 2414
Se realiza la exportación del modelo en 3D a Autodesk CFD 2016 con el propósito de
establecer parámetros físicos para analizar con detalle el comportamiento de las líneas de
filamento y magnitudes físicas de gran importancia. El CFD permite realizar un volumen de
control, el cual es fundamental para establecer las condiciones físicas del sistema, las cuales se
muestran a continuación:
Parámetros iniciales
Ángulo de inclinación del perfil alar 0°
Material perfil alar Al
Material del fluido Aire
Velocidad del flujo de fluido 590 m/s
Presión 30000 pa
Temperatura 0,25° C
Figura. 30. Parámetros iniciales establecidos en CFD Autodesk para un volumen de control asociado a un modelo
de perfil alar A18
39
Figura. 31. Velocidad de las líneas de filamento actuando respecto a un perfil alar A18
9. CONCLUSIONES
Teniendo en cuenta la elaboración de este trabajo se puede concluir lo siguiente:
- Es importante que las instituciones educativas promuevan el desarrollo de proyectos
donde los estudiantes puedan diseñar y construir artefactos que aparentemente son de
gran costo o complejidad y a su vez incentiva la puesta en marcha de actividades
investigativas por parte de los jóvenes.
- El proceso de diseño del túnel de viento resulta ser extenuante en cuanto a que no existen
lineamientos o parámetros definidos para su desarrollo y muchas decisiones deben
tomarse empíricamente basados en preconceptos de la física.
- La enseñanza de conceptos asociada al desarrollo de preguntas problema presentes en la
cotidianidad afianza el interés en estudiantes de educación media por aprender contenidos
científicos, siempre y cuando el proceso de enseñanza - aprendizaje se realice con la
asesoría del tutor o docente.
40
- No sesgar el proceso de enseñanza - aprendizaje del concepto de capa límite a una
actividad puramente experimental, ya que la teoría es imprescindible en el estudio de este
concepto.
- El túnel de viento diseñado y construido permitió realizar un análisis cualitativo del
comportamiento de diversos fluidos respecto a perfiles construidos por los estudiantes y
abordar conceptos indispensables para el conocimiento de la capa limite como los son la
viscosidad, el flujo laminar y turbulento, la velocidad, la presión, entre otros.
10. BIBLIOGRAFÍA
Agencia de noticias UN. (13 de Octubre del 2011). Desarrollan primer túnel de viento en
Colombía. Agencia de noticias UN. Recuperado de
http://agenciadenoticias.unal.edu.co/detalle/article/desarrollan-primer-tunel-del-viento-en-
colombia.html 1.1
Carrascosa, J., Gil, D., y Vilches, A. (2006). Papel de la actividad experimental en la educación
científica. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, 23 (2), 157 – 181.
Fernandes, I., Pires, D., y Villamañan, R. (2014). Educación científica con enfoque Ciencia –
Tecnología- Sociedad – Ambiente. Construcción de un instrumento de análisis de las directrices
curriculares. Revista Formación Universitaria, 7 (5), 23 – 32.
J.C. Cuevas, O. Ocaña, A. Hurtado, S. Hidalgo (2009) “El efecto Magnus y la paradoja de
D´Alembert: consideraciones del flujo potencial”, Lat. Am. J. Phys. Educ. Vol. 4, No. 2.
Marulanda, J., y Gómez, L. (2006). Experimentos en el aula de clase para la enseñanza de la
física. Revista Colombiana de Física, 38 (2), 699 – 702
41
Potter, M., Wiggert, D. (2002) “Mecánica de Fluidos” Vol. 1. Editorial Thomson. México D.F.
3ra Edición
Seré, M. (2002). La enseñanza en el laboratorio. ¿Qué podemos aprender en términos de
conocimiento práctico y de actitudes hacia la ciencia? Enseñanza de las Ciencias, 20 (3), 357 –
368.
Schlichting, H. (1972). Teoría de la capa límite. Madrid, España: Urmo.
Silva, C. (2005). Diseño y Construcción de un túnel de viento bidimensional subsónico de
circuito abierto por inyección (Tesis de maestría). Universidad de Colima, Colima, México.
Vachetta, M., Suárez, Á., Glisenti, G. (2009). La resonante caída del Tacoma Narrows Bridge.
Revista de la Asociación de Profesores de Física del Uruguay, 7 (7), 1 - 8
S. Pezzotti (2016) “Estudio experimental del efecto Magnus en cuerpos cilíndricos de secciones
transversales diversas”, Tesis Doctoral, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de la Plata,
Argentina.
http://m-selig.ae.illinois.edu/ads/coord_database.html
42
ANEXO 1. COORDENADAS PERFILES ALARES
Coordenadas de dos perfiles alares A18 y NACA 2414. (datos del departamento de Ingeniería Aeroespacial)
43
MANUAL DE USUARIO
TÚNEL DE VIENTO
SUBSÓNICO
DE CIRCUITO ABIERTO
44
ÍNDICE GENERAL.
1. OBJETIVO PRINCIPAL………………………………………………………….45
2. CONVENCIONES Y SÍMBOLOS……………………………………….............46
2.1 Secciones………………………………………..................................................46
2.2 Componentes……………………………………….............................................46
2.3 Seguridad y mantenimiento………………………………………......................48
3. SECCIONES FUNDAMENTALES DEL TÚNEL DE VIENTO……………….49
3.1 Cámara de contracción……………………………….......................................50
3.2 Cámara de pruebas. …………………………………………………………....51
3.3 Difusor de salida A………………………………………………………….....52
3.4 Difusor de salida B………………………………………………………….....53
4. ENSAMBLAJE…………………………………………………………………....53
5. USO DEL TÚNEL DE VIENTO………………………………………………....56
5.1 Principio de funcionamiento…………………………………………………...56
6. COMPONENTES ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS………………………...62
7. ANEXOS…………………………………………………………………..............63
7.1 Conexiones y programas……………………………………………………….63
45
1. OBJETIVO PRINCIPAL.
El objetivo fundamental de este manual es guiar al usuario para conocer y utilizar el túnel de
viento de forma adecuada y ofrecer ayuda en procedimientos específicos del dispositivo.
La información que comprende este manual de usuario es la siguiente:
Secciones que constituyen el túnel de viento y su funcionamiento.
Ensamblaje de las secciones del túnel de viento.
Componentes eléctricos y electrónicos.
Programación incorporada.
Mantenimiento, seguridad y riesgos.
Especificaciones técnicas generales.
46
2. CONVENCIONES Y SIMBOLOS.
2.1 SECCIONES.
SECCIÓN SÍMBOLO OBSERVACIÓN
CÁMARA DE
CONTRACCIÓN CC
Sección en acrílico de color
azul, con forma curva tipo
embudo y una brida de
unión.
CÁMARA DE PRUEBAS CP
Sección en acrílico de
menor tamaño, color cristal
con tapa superior y doble
brida de unión.
DIFUSOR DE SALIDA
(A) DS(a)
Sección en acrílico con
forma de pirámide
rectangular, de color azul y
doble brida de unión.
DIFUSOR DE SALIDA
(B) DS (b)
Sección en acrílico con
forma de pirámide
rectangular, de color cristal
y una brida de unión.
2.2 COMPONENTES.
COMPONENTE SÍMBOLO OBSERVACIÓN
REJILLA PANAL
(HONEYCOMB) HC
Arreglo de pajillas o
pitillos enmarcados en
acrílico de color naranja.
PANEL DE CONTROL PC
Caja de madera color
wengue oscuro que
contiene la circuitería; su
longitud es equivalente al
de la CP.
VENTILADOR
EXTRACTOR VE
Ventilador de cinco aspas,
de color negro y su tamaño
coincide con la parte final
del DS (b).
SOPORTES CC,DS (a) y
DS (b) SM
Soportes de madera color
wengue oscuro, con
distintas alturas: CC
(menor altura), DS (a y b)
(alturas iguales.)
47
CÁMARA DE HUMO
(SMOKE MACHINE) CH
Caja metálica de color
negro con sistema de
inyección de aceite por
medio de un émbolo de
jeringa.
LINEALIZADOR LÁSER LL
Artefacto compuesto por
un ventilador pequeño con
un espejo en su centro de
giro y un puntero láser
cuyo haz incide sobre el
espejo.
FUENTE DE PODER
ATX
(POWER SUPPLY)
PS
Fuente de poder ATX para
computadoras de escritorio,
ubicada al interior del PC.
MULTITOMA DE 6
CANALES MT
Regleta de distribución
eléctrica con 6 tomas
ubicada en la parte trasera
del PC
MICROCONTROLADOR
ARDUINO UNO (A) AU (a)
Placa microcontroladora de
color azul ubicada en el PC
con conectores a módulos
complementarios.
MICROCONTROLADOR
ARDUINO UNO (B) AU (b)
Placa microcontroladora de
color azul ubicada en el PC
con conexión a circuitos
electrónicos.
MICROCONTROLADOR
MSP430 LAUNCHPAD
TEXAS INSTRUMENTS MSP430
Placa microcontroladora de
color rojo ubicada en el PC
con conexión al motor a
pasos.
MÓDULO RELEVADOR
MR
Placa de 4 relevadores, de
color azul con leds
indicadores de color rojo.
MÓDULO
CONTROLADOR
MOTOR PASO A PASO
( STEPPER MOTOR)
MCMPP
Placa pequeña, de color
rojo con leds indicadores
de las cuatro bobinas del
motor paso a paso.
48
MÓDULO BLUETOOTH
MB
Tarjeta de pequeñas
dimensiones con led
intermitente indicador de
conexión.
POTENCIOMETRO
MOTOR PASO A PASO
POT(MPP)
Resistencia variable con la
que se puede modificar la
posición angular del motor
a pasos.
POTENCIOMETRO
DIMMER
POT(DIM)
Resistencia variable
encargada de modificar la
velocidad del ventilador
extractor de aire.
DISPLAY LCD 16X2 LCD
Pantalla de cristal líquido
encargado de la
visualización de
información obtenida por
el AU (b).
2.3 SEGURIDAD Y MANTENIMIENTO.
INDICADOR SÍMBOLO OBSERVACIÓN
¡ATENCIÓN!
Suministra información
acerca de prácticas o
situaciones que pueden
representar un riesgo
para el operador o
equipo.
ALTA TENSIÓN
Alerta sobre las partes
del equipo donde se
manipula alta tensión y
existe inminente riesgo de
choque eléctrico que
puede provocar lesiones y
daños al operador y al
equipo.
GASES NO
INFLAMABLES Y NO
TÓXICOS.
Informa al usuario sobre
el uso de gases no
inflamables y no tóxicos
para los casos donde
pueda existir restricción
médica por inhalación de
gases o falsa alarma por
la presencia de humo en
el laboratorio.
49
ALTA TEMPERATURA
Alerta sobre las partes
del equipo donde se
alcanzan altas
temperaturas que pueden
generar quemaduras y
lesiones al operador o al
equipo.
LÁSER EN
FUNCIONAMIENTO
Informa al usuario sobre
la exposición a radiación
laser de clase II que
puede ser perjudicial
para el operador si se
observa directamente por
tiempo prolongado.
PELIGRO DE CORTE
Alerta al usuario sobre la
parte del equipo
(ventiladores) donde
puede sufrir cortes o
amputaciones por
manipulación errónea del
equipo.
SE RECOMIENDA QUE LAS PERSONAS RESPONSABLES DE
LA OPERACIÓN Y EL MANTENIMIENTO DEL EQUIPO ESTÉN
FAMILIARIZADOS CON EL MANEJO ELÉCTRICO Y LOS
INSTRUMENTOS QUE LO INTEGRAN.
TOME PRECAUCIONES EN EL MANEJO DEL EQUIPO COMO
LO INDICA EL MANUAL PARA SU ADECUADO FUNCIONAMIENTO Y EVITAR
LESIONES AL OPERADOR O DAÑOS SIGNIFICATIVOS AL EQUIPO.
3. SECCIONES FUNDAMENTALES DEL TÚNEL DE VIENTO.
El túnel de viento de circuito abierto accionado por succión de aire está diseñado para realizar
pruebas demostrativas de laboratorio, por tal motivo su estructura fue elaborada con materiales
de fácil adquisición que permiten futuras modificaciones o cambios de sus secciones. Su diseño
se basa en cuatro secciones acoplables por medio de bridas de unión que se fijan con tornillos,
permitiendo un desmontaje fácil para su limpieza, calibración y mantenimiento. Las secciones
que componen el túnel de viento de circuito abierto por succión se muestran en la figura 1.
50
Figura 1. Secciones principales que componen el túnel de viento.
3.1 CÁMARA DE CONTRACCIÓN (CC).
La rejilla panal ingresa a presión, no es necesaria fuerza excesiva y tampoco ningún tipo de
pinza externa a menos que se requiera la instalación de algún dispositivo (Ver Figura 2). La
unión de las secciones se realiza por medio de las bridas que se ajustan con tornillos de mariposa,
así que no necesitan ningún tipo de llave o herramienta de ajuste (Ver Figura 3).
Figura 2. Ajuste de la rejilla panal (HC) con la cámara de contracción (CC).
51
La ubicación de los tornillos debe formar un arco superior debido a la ubicación del panel de
control (PC) justo debajo de la cámara de pruebas (CP) que impide que el arco inferior quede
libre.
Figura 3. Brida de unión de la cámara de contracción (CC) con la cámara de pruebas (CP).
3.2 CÁMARA DE PRUEBAS (CP).
Figura 4. Cámara de pruebas (CP).
La ubicación de la cámara de pruebas debe ser de tal manera que el orificio donde encaja el
motor paso a paso quede hacia la izquierda pues no está completamente centrado en la cámara.
De igual manera debe quedar orientada la tapa de forma que su apertura se realice hacia la
derecha del túnel, en dirección al difusor de salida. (Ver Figura 4)
52
3.3 DIFUSOR DE SALIDA DS (A).
Figura 5. Difusor de salida DS (a).
Se recomienda ensamblar las dos partes del difusor de salida (DS a y b), luego unirlas a la
cámara de pruebas para evitar esfuerzos mecánicos en las bridas puesto que la última sección
(DS b) tiene el ventilador de extracción incorporado, lo cual representa mayo peso en el extremo
final del difuso.
3.4 DIFUSOR DE SALIDA (DS B).
Figura 6. Difusor de salida DS (b). Ultima sección que constituye el túnel de viento.
53
La orientación de las figura 6 no debe confundirse, pues las cavidades deben coincidir con
cada una de las secciones respectivamente, por esta razón se indican cuáles son las
correspondientes uniones.
Para estabilizar las secciones y que la cámara de pruebas quede a nivel se dispone de los
soportes CC, DS a y DS b. Estos se ubican verticalmente bajo su respectiva sección.
Los soportes CC, DS (a) y DS (b), se muestran en la Figura 7.
Figura 7. Soportes para las secciones CC, DS (a) y DS (b).
4. ENSAMBLAJE
En esta sección se indicará el paso a paso para ensamblar correctamente el túnel de viento.
¡ATENCIÓN!
ALGUNAS SECCIONES DEL TÚNEL PUEDEN OCASIONAR
CORTADAS EN SUS MANOS, MANIPULE ESTAS PARTES
PREFERIBLEMENTE CON GUANTES DE MANTENIMIENTO.
54
PASO IMAGEN
Contraponer las bridas de unión de las
secciones DS(a) y DS(b) ajustando con
tornillos tipo mariposa que pueden ser
adaptados manualmente sin necesidad de
herramientas de acople.
Introducir la rejilla panal (HC) en la
cámara de contracción (CC) de manera
que esta quede ajustada a presión.
Ubicar la cámara de pruebas (CP) sobre
el panel de control (PC) de modo que el
motor a pasos (MPP) se ajuste en el
orificio de la cámara de pruebas y permita
su libre rotación.
55
Ensamblar las secciones DS(a) - DS (b) y
CC a las bridas de unión de la cámara de
pruebas insertando los tornillos en el arco
superior donde se encuentran los orificios
para su ajuste. Esto con el objetivo de no
obstruir el acople de la cámara de pruebas
(CP) con el panel de control (PC) por la
presencia de tornillos en el arco inferior
de las bridas de unión de la (CP).
Ubicar los soportes CC, DS (a) y DS (b)
en cada una de las secciones
respectivamente para lograr que la cámara
de pruebas esté a nivel en el momento de
hacer las pruebas.
Verificar que el túnel esté a nivel con
relación a la superficie de apoyo con un
indicador de nivel.
56
5. USO DEL TÚNEL DE VIENTO.
En esta sección se indicará el paso a paso para controlar correctamente el túnel de viento.
5.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.
Este dispositivo basa su funcionamiento en la succión de aire por medio de un ventilador axial
el cual pone en movimiento al aire en el interior del túnel y este a su vez es visualizado por
medio de la inyección de humo que traza el flujo y su trayectoria.
¡ATENCIÓN!
LA MANIPULACIÓN DE DISTINTOS ELEMENTOS
ELÉCTRICOS PUEDEN GENERAR DESCARGAS QUE
OCASIONAN QUEMADURAS.
UTILICE PROTECCIÓN ELÉCTRICA PARA MANIPULAR ESTE
DISPOSITIVO O CONSULTE A UN EXPERTO EN
ELECTRICIDAD.
¡IMPORTANTE!
La electricidad y la electrónica empleada en el túnel de viento en su versión actual puede
resultar poco sofisticada pero satisface la necesidad energética para el correcto funcionamiento
del dispositivo. La disposición de distintos elementos electrónicos se centraliza en el panel de
control y está sujeta a modificaciones que aporten mayor eficiencia al mismo.
57
PASO IMAGEN
Conectar el cable principal en
una toma de 110VAC y
oprimir el interruptor
ON/OFF para encender o
apagar la multitoma.
Revisar que la multitoma
tenga conectados todos los
adaptadores para controlar
los circuitos electrónicos de
manera independiente.
Accione el switch para iniciar
la fuente ATX que
proporciona energía estable
al módulo relevador
controlado con un Arduino
Uno. Tan pronto se inicia la
fuente, el módulo Bluetooth
indicará su estado de
conexión a través de un LED
rojo inicialmente parpadeante
(sin conexión).
58
Instale la aplicación para
Android llamada
ControlWindTunnel que
fue diseñada especialmente
para controlar diferentes
componentes del túnel por
medio de una Tablet o
Smarthphone. Le permitirá
encender o apagar el
ventilador axial, encender o
apagar la máquina de humo
(Fog Machine), activa o
desactiva el linealizador laser
y un servomotor (opcional).
Sincronizar el Bluetooth de
su dispositivo con el HC-05,
en caso de ser solicitada una
contraseña, intente con los
números 1, 2, 3, 4. Una vez
esté conectado el módulo le
indicará dicha conexión
mostrando el LED encendido
de manera permanente
(conectado).
Al encender el ventilador
axial el aire circulará por el
interior del túnel y su rapidez
puede ajustarse accionando el
potenciómetro que se ubica
primero de izquierda a
derecha. Con el siguiente
potenciómetro se puede
ubicar el ángulo de ataque en
el interior de la Cámara de
Pruebas.
59
¡ATENCIÓN!
SE ORIGINARÁN GASES
NO INFLAMABLES Y NO
TÓXICOS, NO OBSTANTE
LA INHALACIÓN DE
HUMO PUEDE SER UNA
RESTRICCIÓN MÉDICA
PARA EL (LOS)
OPERARIO(S) DEL
TÚNEL DE VIENTO.
Luego de encender la
cámara de humo es
importante ser cuidadoso con
el suministro del líquido para
producir humo pues su
fabricación es a base de
aceite y este a elevadas
temperaturas puede
reaccionar fuertemente
salpicando sobre la piel o los
ojos del operario.
60
¡ATENCIÓN!
LA CÁMARA DE
HUMO
FUNCIONA A
TEMPERATURAS MUY
ELEVADAS QUE PUEDEN
OCASIONAR QUEMADURAS
EN LA PIEL O LOS OJOS.
ASEGURESE DE
DESACTIVAR LA MÁQUINA
MIENTRAS NO NECESITE
INYECTAR HUMO EN LA
CÁMARA DE PRUEBAS,
ESTO EVITARÁ
SOBRECALENTAMIENTO.
ADICIONALMENTE ACTIVE
LA MÁQUINA POR
ESPACIOS DE TIEMPO NO
SUPERIORES A LOS 20
MINUTOS.
De manera alternativa es
posible inyectar el humo por
medio de varas de incienso
ubicadas en forma de tridente
para lo cual el filtro
linealizador tiene un orificio
donde puede soportarse el eje
que mantiene las varas
alineadas en el interior de la
cámara de contracción.
¡ATENCIÓN!
PROTEJA SUS
OJOS DEL
RAYO LÁSER
DE ALTA POTENCIA
UTILIZANDO GAFAS
CON FILTROS UV Y/O
POLAROID. LA
INCIDENCIA DIRECTA
DEL LÁSER EN LOS OJOS
ES MUY PELIGROSA.
61
Encender el linealizador y el
láser y ajustar su nivel
logrando proyectar una linea
recta paralela al plano de
observación de la cámara de
pruebas. El linealizador se
puede dejar fijo al panel de
control o libre con un soporte
universal.
Ubique un perfil de prueba
que conserve las dimensiones
apropiadas para su movilidad
(rotación) al interior de la
cámara. Controle la posición
del perfil según corresponda
y de igual forma las R.P.M
del ventilador extractor que
se visualiza en la pantalla
LCD.
Puede lograr visualizar el
comportamiento de la cápa
límite para diferentes perfiles
manipulando la velocidad de
extracción y el ángulo de
ataque.
62
Luego de realizar la(s)
práctica(s) apague el láser y
los elementos dispuestos en
la aplicación
ControlWindTunnel y
después desconecte el
Bluetooth. Por último apague
la fuente ATX y la multitoma
en la parte trasera del panel
de control.
6. COMPONENTES ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS.
El túnel de viento posee dos fuentes de electricidad principalmente:
- Fuente ATX 250W- 110 VAC
-Multitoma 6 entradas110VAC
La electrónica del túnel de viento está compuesta por:
-Arduino Uno- Atmel AVR.
-MSP430- Launchpad-Texas Instruments.
-Stepper motor 28YJ-48- 5V- 4Phase con Driver ULN2003.
-Módulo Bluetooth HC-05/06.
- Módulo Relé de 4 canales 5V.
- Módulo I2C.
- Pantalla LCD 16X2.
-Componentes (LEDs, resistencias, cableado, potenciómetros, etc.).
63
7. ANEXOS.
7.1 CONEXIONES Y PROGRAMAS.
7.1.1 CONEXIÓN DEL MOTOR PASO A PASO (STEPPER MOTOR).
Figura ¿?. Diagrama de conexiones. Fuente: www.arduining.com
7.1.2 CONTROL DE MOTOR PASO A PASO (ÁNGULO DE ATAQUE).
/*------------------------------------------------------
StepperPot_11
Arduining.com 13 APRIL 2013
A stepper motor follows a potentiometer on analog input 5.
A software low-pass filter is used to reduce the noise in the analog reading.
After 3 seconds of inactivity the motor coils are turned OFF to save energy.
The RED_LED is used to signal when the stepper is powered.
Hardware:
LaunchPad with MSP430G2553
Driver: ULN2003A
Stepper Motor: 28BYJ48, 5VDC, step pangle 5.625 °
Gear reduction 64:1
No-load starting frequency:> = 500PPS (4 rpm)
Coil resistance 60 Ohms.
-----------------------------------------------------*/
#include <Stepper.h>
64
// change this to the number of steps on your motor
#define STEPSREV 4096 // 64(fullsteps) * 64 (reduction ratio)
#define COIL1 14
#define COIL2 12
#define COIL3 13
#define COIL4 11
#define POT A5
#define ENER RED_LED
#define TIMEOUT 3000 //Turns off after 3 secs of inactivity.
// create an instance of the stepper class, specifying
// the number of steps per revolution and pins atached to motor coils.
Stepper myStepper(STEPSREV, COIL1, COIL2, COIL3, COIL4);
int PotVal;
int LastPotVal= 0 ; // To implement a software Low-Pass-Filter
int pos = 0; // stepper position(0-4096)->(0-360°)
unsigned long stamp = 0; // last move time stamped.
void setup()
{
myStepper.setSpeed(4); // set the motor speed to 4 RPM
pinMode(ENER, OUTPUT); // status led (coils energized).
// Serial.begin(9600); //for debuging.
}
void loop(){
PotVal = analogRead(POT); // Potentiometer value range 0-1023
PotVal= map(PotVal,0,1023,0,2047); // Map pot range in the stepper range.
PotVal= PotVal * 0.1 + LastPotVal * 0.9 ; // Filtering to reduce noise.
LastPotVal= PotVal;
// Serial.print(Val); // For debuging.
// Serial.print(" "); // "
// Serial.println(pos); // "
// delay(500); // "
if(abs(PotVal - pos)> 4){ //if diference is greater than 4 steps.
if((PotVal - pos)> 0){
digitalWrite(ENER, HIGH); //Motor energized.
myStepper.step(1); // move one step to the right.
pos++;
}
if((PotVal - pos)< 0){
digitalWrite(ENER, HIGH); //Motor energized.
myStepper.step(-1); // move one step to the left.
pos--;
}
stamp = millis(); // stamp actual time.
}
else {
if((millis() - stamp) > TIMEOUT){ //Turn Off coils after TIMEOUT.
digitalWrite(COIL1, LOW);
digitalWrite(COIL2, LOW);
digitalWrite(COIL3, LOW);
digitalWrite(COIL4, LOW);
digitalWrite(ENER, LOW); //Motor de-energized.
}
}
}
65
7.1.3 CONEXIÓN DEL MÓDULO RELÉ POR BLUETOOTH CON ARDUINO.
Figura¿?. Conexión Arduino- Módulo Relé – Módulo Bluetooth.
Fuente: www.naylampmechatronics.com
7.1.4 CONTROL DE MÓDULOS RELÉ Y BLUETOOTH CON ARDUINO.
/* Arduino Control House By: http://www.elprofegarcia.com/
.... Contorl digital on/off del pin 13 al pin 6
.... Dimer de los Pin 3 y 5
.... Control de Servo por PIN 4
.... Lectura analoga del Puerto AO
Conexion del Modulo Bluetooth al Arduino
usando Pin 0 y 1
Componentes conprados en la tienda: http://www.dinastiatecnologica.com/
*/
#include <Servo.h>
Servo servo1; // Crea el servo1 con las librerias de Servo.h
int estado=0;
int retardo=100;
int analogo=0;
void setup(){
servo1.attach(4);
66
pinMode(13,OUTPUT);
pinMode(12,OUTPUT);
pinMode(11,OUTPUT);
pinMode(10,OUTPUT);
pinMode(9,OUTPUT);
pinMode(8,OUTPUT);
pinMode(7,OUTPUT);
pinMode(6,OUTPUT);
pinMode(5,OUTPUT);
pinMode(4,OUTPUT);
pinMode(3,OUTPUT);
Serial.begin(9600);
delay(1000);
}
void loop(){
if(Serial.available()>0){ // Si el puerto serie esta habilitadp
estado = Serial.read(); // Lee lo que llega por el puerto Serie
}
if(estado== 'a'){ // on/off de los pin 13 al pin 6
digitalWrite(13,HIGH);
}
if(estado== 'b' ){
digitalWrite(13,LOW);
}
if(estado== 'c'){
digitalWrite(12,HIGH);
}
if(estado== 'd' ){
digitalWrite(12,LOW);
}
if(estado== 'e'){
digitalWrite(11,HIGH);
}
if(estado== 'f' ){
digitalWrite(11,LOW);
}
if(estado== 'g' ){
digitalWrite(10,HIGH);
}
if(estado== 'h' ){
digitalWrite(10,LOW);
}
if(estado== 'i' ){
digitalWrite(9,HIGH);
}
if(estado== 'j' ){
digitalWrite(9,LOW);
}
if(estado== 'k' ){
digitalWrite(8,HIGH);
}
if(estado== 'l' ){
digitalWrite(8,LOW);
}
if(estado== 'm' ){
digitalWrite(7,HIGH);
}
if(estado== 'n' ){
digitalWrite(7,LOW);
}
if(estado== 'o' ){
67
digitalWrite(6,HIGH);
}
if(estado== 'p' ){
digitalWrite(6,LOW);
}
if(estado== 'A' ){ // Movimiento del SERVO
servo1.write(0);
}
if(estado== 'B' ){
servo1.write(90);
}
if(estado== 'C' ){
servo1.write(180);
}
if(estado=='s'){ // Dimer 1 conectado al pin 5
analogWrite(5,0);
}
if(estado=='t'){
analogWrite(5,3);
}
if(estado=='u'){
analogWrite(5,8);
}
if(estado=='v'){
analogWrite(5,20);
}
if(estado=='w'){
analogWrite(5,30);
}
if(estado=='x'){
analogWrite(5,60);
}
if(estado=='y'){
analogWrite(5,125);
}
if(estado=='z'){
analogWrite(5,255);
}
if(estado=='1'){ // Dimer 2 conectado al pin 3
analogWrite(3,0);
}
if(estado=='2'){
analogWrite(3,3);
}
if(estado=='3'){
analogWrite(3,8);
}
if(estado=='4'){
analogWrite(3,20);
}
if(estado=='5'){
analogWrite(3,30);
}
if(estado=='6'){
analogWrite(3,60);
}
if(estado=='7'){
analogWrite(3,125);
68
}
if(estado=='8'){
analogWrite(3,255);
}
if(estado=='q'){ // envia el valor leido del puerto analogo A0
analogo=analogRead(A0);
Serial.print(analogo);
Serial.println("°C");
delay (retardo);
estado=0;
}
delay(retardo);
}
7.1.5 CONEXIÓN DEL MEDIDOR R.P.M. PANTALLA LCD 16X2 – ARDUINO.
Figura ¿?. Conexión del medidor RPM – Arduino Uno- LCD 16X2.
Fuente: arduinoprojects101.com
69
7.1.6 CONTROL DE LA PANTALLA LCD 16X2. (VISUALIZACIÓN RPM/VEL)
// Contador de RPM by: http://elprofegarcia.com
// Conexion de la entrada de la interrupcion 0 por el PIN 2
// Configurar el monitor serial a 57600 Baudios para visualizar los RPM
// Tienda para comprar Materiales http://dinastiatecnologica.com
// The circuit:
//* LCD RS pin to digital pin 12
//* LCD Enable pin to digital pin 11
//* LCD D4 pin to digital pin 6
//* LCD D5 pin to digital pin 5
//* LCD D6 pin to digital pin 4
//* LCD D7 pin to digital pin 3
//* LCD R/W pin to ground
//* LCD VSS pin to ground
//* LCD VCC pin to 5V
//* 10K resistor:
//* ends to +5V and ground
//* wiper to LCD VO pin (pin 3)
// include the library code:
#include <LiquidCrystal.h>
// initialize the library with the numbers of the interface pins
LiquidCrystal lcd(12, 11, 6, 5, 4, 3);
volatile int contador = 0; // Variable entera que se almacena en la RAM del Micro
void setup() {
Serial.begin(57600);
attachInterrupt(0,interrupcion0,RISING); // Interrupcion 0 (pin2)
// set up the LCD's number of columns and rows:
lcd.begin(16, 2);
// Print a message to the LCD.
lcd.print(" RPM: VEL:");
} // LOW, CHANGE, RISING, FALLING
void loop() {
delay(999); // retardo de casi 1 segundo
Serial.print(contador*60/5); // Como son dos interrupciones por vuelta (contador * (60/Numero aspas))
Serial.println(" RPM"); - // El numero 2 depende del numero aspas de la helise del motor en prueba
lcd.setCursor(1, 1);
lcd.print(contador*60/5);
lcd.setCursor(9, 1);
lcd.print((((contador)*6.2831)/60)*4);
contador = 0;
}
void interrupcion0() // Funcion que se ejecuta durante cada interrupion
{
contador++; // Se incrementa en uno el contador
}
70
Figura ¿?. Aplicación ControlWindTunnel para Android construida en AppInventor.
