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 utilizando materiales reciclables, tomando como base una

botella pet de 600 ml, y una válvula cello matic, donde se apliquen las temáticas

necesarias, las cuales faciliten y favorezcan el éxito de la competencia, permitiendo que

el carro salte de una rampa a otra comenzando por una distancia de 50 cm, sin perder su

estabilidad, dirección o estructura.

1.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

Buscar antecedentes que nos permitan identificar parámetros no tenidos en

cuenta hasta el momento, para no repetir errores y trabajar apoyados en

experiencias.

Identificar los parámetros adecuados, como los materiales livianos para la

realización de carro, el peso total del mismo, la cantidad de agua en su interior y

la cantidad de presión adecuada para el éxito del proyecto.

Lograr que el carro atraviese las rampas con las distancias exigidas sin que

pierda su dirección y estabilidad

2.

ANTECEDENTES.

Como antecedentes para la realización del proyecto se tuvieron en cuenta otros dos

proyectos realizados por estudiantes de la ECCI y un video, los cuales proporcionan

información de interés relacionada de la siguiente manera:

Materiales oportunos (livianos , bomba de aire manual con manómetro, válvula

(cello matic), entre otros)

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.

Antecedente 1: http://andrescore8.wordpress.com/proyecto-carro-hidraulico/

Antecedente 2:

http://es.slideshare.net/yesik2737/carro-hidraulico-final

Video carro hidráulico:

https://www.youtube.com/watch?v=pCniwznpuBM

PROYECCIÓN CARRO HIDRÁULICO AÑO 2017.

lo que se busca con este modelo de automóvil es ser más amigables con el ambiente.

“Manejamos muchas alternativas más ecológicas que el tradicional combustible de

gasolina o diésel, pero ninguna acaba de imponerse. Ni los vehículos eléctricos, ni los

vehículos de AutoGas (pese al impulso que empresas como Fiat o Repsol quieren darle en

los próximos años)… ni parece que vaya a haber una solución en los próximos años que

sea contemplada como la mejor o la más aceptada por el público en general.”

Para ampliar la información:

http://www.kmph.es/concepto-vehiculo-prototipo-propulsado-agua-aire/

3.

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:

3.1.

HISTORIA DE LA HIDRAULICA.

Desde la creación el hombre ha estado empeñado en multiplicar su fuerza física.

Inicialmente se asocio con otros para aplicar cada uno su fuerza individual a un solo

objeto. Posteriormente un ilustre desconocido inventó la rueda y otros la palanca y la

cuña. Con estos medios mecánicos se facilitaron enormemente las labores. Pronto estos

elementos se combinaron y evolucionaron hasta convertirse en ingenios mecánicos muy

diversos, que fueron utilizados en la construcción de los pueblos, en las guerras y en la

preparación de la tierra.

También el hombre al lado del desarrollo de los dispositivos mecánicos, empezó desde

muy temprano la experimentación de la utilización de recursos naturales tan abundantes

como el agua y el viento. Inicialmente se movilizo en los lagos y ríos utilizando los

troncos de madera que flotaban. Mas adelante la navegación se hizo a ve la

aprovechando la fuerza de los vientos.

La rueda hidráulica y el molino de viento Son preámbulos de mucho interés para la

historia de los sistemas con potencia fluida, pues familiarizaron al hombre con las

posibilidades d los fluidos para generar y transmitir energía y le enseñaron en forma

empírica los rudimentos de la Hidromecánica y sus propiedades.

La primera bomba construida por el hombre fue la jeringa y se debe a los antiguos

egipcios, quienes la utilizaron para embalsamar las momias. CTESIBIUS en el siglo II

A.C., la convirtió en una bomba de doble efecto.

En la segunda mitad del siglo XV, LEONARDO DA VINCI en su escrito sobre flujo

de agua y estructuras para ríos, estableció sus experiencias y observaciones en la

construcción de instalaciones hidráulicas ejecutadas principalmente en Milán y

Florencia.

GALILEO: en 1612 elaboro el primer estudio sistemático de los fundamentos de la

Hidrostática.

Un alumno de Galileo, TORRICELI, enunció en 1643 la ley del flujo libre de líquidos a

través de orificios. Construyo El barómetro para la medición de la presión atmosférica.

BLAISE PASCAL: aunque vivió únicamente hasta la edad de 39 años, fue uno de los

grandes científicos y matemáticos del siglo XVII. Fue responsable de muchos

descubrimientos importantes, pero en relación con la mecánica de fluidos son notables

los siguientes:

La formulación en 1650 de la ley de la distribución de la presión en un liquido

contenido en un recipiente. Se conoce esta, como ley de Pascal.

La comprobación de que la potencia del vacío se debe al peso de la atmósfera y

no a un "horror natural" como se creyó por mas de 2000 años antes de su época.

A ISAAC NEWTON: además de muchas contribuciones a la ciencia y a las

matemáticas, se le debe en Mecánica de Fluidos:

El primer enunciado de la ley de fricción en un fluido en movimiento.

La introducción del concepto de viscosidad en un fluido.

Los fundamentos de la teoría de la similaridad hidrodinámica.

Estos, sin embargo, fueron trabajados aislados de los cuales resultaron leyes y

soluciones a problemas no conexos. Hasta la mitad del siglo XVIII no existía aun una

ciencia integrada sobre El comportamiento de los fluidos.

Los fundamentos teóricos de la Mecánica de Fluidos como una ciencia se deben a

Daniel Bernoulli y a Leonhard Euler en el siglo XVIII.

DANIEL BERNOULLI, 1700-1782: perteneció a una famosa familia suiza en la cual

hubo once sabios celebres, la mayoría de ellos matemáticos o mecánicos. Gran parte de

su trabajo se realizo en San Peterburgo, como miembro de la academia rusa de ciencias.

En 1738 en su "Hidrodinámica", formulo la ley fundamental del movimiento de los

fluidos que da la relación entre presión, velocidad y cabeza de fluido.

LEONHARD EULER, 1707-1783: también suizo, desarrollo las ecuaciones

diferenciales generales del flujo para los llamados fluidos ideales (no viscosos). Esto

marco El principio de los métodos teóricos de análisis en la Mecánica de Fluidos. A

Euler se le debe también la ecuación general del trabajo para todas las maquinas

hidráulicas rotodinamicas (turbinas, bombas centrifugas, ventiladores, etc.), además de

los fundamentos de la teoría de la flotación.

En 1985, después de 135 años de la formulación de la ley de Pascal, JOSEPH

BRAMAH, construyo en Inglaterra la primera prensa hidráulica. Esta primera prensa

utilizaba sello de cuero y agua como fluido de trabajo. El accionamiento se realizaba

por medio de una bomba manual y no superaba los 10 bares de presión. Sin embargo, la

fuerza desarrollada por ella fue algo descomunal e inesperada para el mundo técnico e

industrial de entonces.

Inmediatamente siguieron sin numero de aplicaciones y como era de esperarse, se

abrió un mercado para el mismo sin precedentes y que superaba las disponibilidades

tanto técnicas como financieras de su tiempo.

El segundo periodo, que comprende los últimos años del siglo XVIII y la mayoría del

XIX, se caracterizó por la acumulación de datos experimentales y por la determinación

de factores de corrección para la ecuación de Bernoulli. Se basaron en el concepto de

fluido ideal, o sea que no tuvieron en cuenta una propiedad tan importante como la

viscosidad. Cabe destacar los nombres de experimentalistas notables como ANTOINE

CHEZY, HENRI DARCY, JEAN POISEUILLE en Francia; JULIUS WEISBACH

Y G. HAGEN en Alemania. De importancia especial fueron los experimentos de

Weisbach y las fórmulas empíricas resultantes que fueron utilizadas hasta hace poco

tiempo.

Entre los teóricos de la Mecánica de Fluidos de este período, están LAGRANGE,

HELMHOLTZ Y SAINT VENANT.

En los años posteriores a 1850 las grandes ciudades de Inglaterra instalaron centrales de

suministros de energía hidráulica, la cual era distribuida a grandes distancias por

tuberías hasta las fabricas donde accionaban molinos, prensas, laminadores y grúas.

Todavía funcionan en algunas ciudades europeas las redes de distribución de energía

hidráulica. En Londres, por ejemplo, esta aun en servicio la empresa " The London

Hydraulic Power Co.", con capacidad instalada de 700 HP y 180 millas de tubería de

distribución. En la misma ciudad, el famoso Puente de la Torre, es accionado

hidráulicamente, así como el ascensor principal en el edificio de la institución de los

Ingenieros Mecánicos.

En el periodo siguiente, al final del siglo XIX y principios del XX, se tomó en cuenta la

viscosidad y la teoría de la similaridad. Se avanzó con mayor rapidez por la expansión

tecnológica y las fuerzas productivas. A este período están asociados los nombres de

GEORGE STOKES y de OSBORNE REYNOLDS, 1819-1903 y 1942-1912,

respectivamente.

En la Hidráulica contemporánea se deben mencionar a: LUIDWIG PRANDTL,

THEODOR VON KARMAN Y JOHAN NIKURADSE. Los dos primeros por sus

trabajos en Aerodinámica y Mecánica de Fluidos que sirvieron para dilucidar la

teoría del flujo turbulento; el último sobre flujo en tuberías.

En 1906 la Marina de los EE.UU. botó El U.S.Virginia, primer barco con sistemas

hidráulicos para controlar su velocidad y para orientar sus cañones.

En 1930 se empezaron a construir las bombas de paletas de alta presión y se

introdujeron los sellos de caucho sintético. Diez años después los servomecanismos

electrohidráulicos ampliaron el campo de aplicación de la oleo hidráulica (rama de la

hidráulica que utiliza aceite mineral como fluido). Desde los años sesenta el esfuerzo

investigativo de la industria y las entidades de formación profesional ha conducido

hasta los sofisticados circuitos de la fluídica.

3.2.

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.

3.3.

PRESIÓN.

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 =𝐹𝑛

𝑆

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 liquido 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 liquido 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.

3.4.

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.

3.5.

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 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.

3.6.

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.

3.7.

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%).

4.

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 ultimo la

recolección de parte de los materiales para la realización del carro de forma física, los

cuales se relacionan en las siguientes fotografías:

4.1.MATERIALES.

LLANTAS REUTILIZADAS.

PAPEL DE COLORES PARA EL MONTAGE,CINTAS,

DESTORMILLADOR, TORNILLOS, BOTELLA PET 600 ml

VALVULA (CELLO MATIC).

BASE.

4.2.CARRO TERMINADO

Realizando pruebas, listo para la entrega final.

5.

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 ).

6.

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_colom

bia.pdf