Cotizaciones

Cumplimiento de las normas de diseño

De acuerdo a las restricciones estipuladas por el programa, deberemos cumplir con las siguientes condiciones:
• No hay restricciones con el material
• Un costo menor a $20.000 pesos
• Diseño y utilidad enfocado en su presentación en el MIM
• Educativo y no frágil que no presente riesgo a la gente que lo ocupa.
Pues bien, de acuerdo a ello nos basamos para trabajar y llegamos a los resultados esperados para las condiciones de diseño. En la estimación de costos pueden ver como configuramos la construcción de este corazón para no exceder los costos requeridos, indicando materiales y precios del mercado para cada uno.
Como podemos ocupar cualquier tipo de material, decidimos utilizar principalmente tres elementos, por un lado utilizamos pequeñas mangueras de plástico transparente para simular arterias y venas. Para las cámaras utilizaremos bolsas plásticas de alta densidad, las cuales soportan mejor los cambios de presión. La idea es que estas bolsas representen el órgano y además el corazón por donde será bombeada la sangre. El tercer elemento es el líquido que representa la sangre, el cual tendrá compuestos químicos para darle la densidad y color, pero que no son tóxicos ni explosivos para cumplir con las condiciones de diseño. Debido a que no tenemos restricciones con el material no hay problemas con lo utilizado para la fabricación.
Podemos decir que el dispositivo cumple con las características de diseño propuestas, ya que nos permite entender claramente como es básicamente el funcionamiento del corazón, motor biológico de la mayor cantidad de animales en el mundo. Pensemos que el dispositivo está separado por elementos bien definidos que permiten un entendimiento de su utilidad y interactividad entre el dispositivo y el usuario. La utilidad está en poder conocernos mejor a nosotros mismos a través de este fenómeno de transporte de fluidos.
Debido a que decidimos construir el dispositivo con elementos resistentes y flexibles, no es frágil en su utilización, sin embargo no está exento de fallas si es golpeado o dañado el motor por una mala manipulación. Como ya dijimos antes, el corazón cumple su rol educativo ya que no solo instruye a la gente sobre un fenómeno de mecánica de fluidos, sino que además les enseña un poco más sobre la mecánica biológica del ser humano permitiendo abordar distintas aristas del conocimiento gracias a aplicaciones de ingeniería.

Ensayos para evaluar el desempeño del prototipo.

Los ensayos que básicamente se han realizado se han enfocados en estudiar cualitativamente las distancias que es capaz de recorrer el agua bombeada a través de mangueras transparentes (los futuros vasos del sistema circulatorio) .
En el presente proyecto se optó por una bomba comercial en miniatura marca “JEBAO” modelo AP-300, de voltaje ac 220-240 volt, frecuencia 50 Hz, e intensidad 2.5 watts, que trabaja inmersa en agua dentro de un recipiente Los diámetros de las mangueras con las que se ha probado su efectividad han sido de 4 y 6 mm. en donde el agua ha recorrido distancias de hasta 4 metros con la de mayor diámetro sin problemas, inclusive se han realizando pruebas en el plano vertical, es decir, disponiendo las mangueras en gran parte de su extensión en la componente en que actúa la fuerza de gravedad para dificultar la circulación y los resultados fueron satisfactorios, por lo que la bomba que prácticamente resultaba imprescindible para el desarrollo del proyecto arrojó los resultados deseados.

Esquema del Modelo

Modelo Definitivo

Tras analizar todas las opciones de diseño, y analizar nuevas posibilidades, llegamos al siguiente modelo, el cual será el definitivo:

• Corazón/Bomba: Utilizaremos una bomba hidráulica para bombear el fluido. Sumergiremos la bomba en un vaso grande lleno de agua, la cual estará conectada a una manguera que tras el recorrido completo del ciclo, depositará el agua nuevamente en el vaso. De esta manera no hay pérdidas de agua y el ciclo está totalmente cerrado. Cabe mencionar que el flujo de fluido será del tipo permanente

• Arterias/Mangueras: Para simular las arterias utilizaremos 2 mangueras de distinto diámetro. Estas van conectadas a la bomba y llevan el fluido desde la misma hasta el órgano (ver en descripción de órgano). Para intercambiar las mangueras, de manera que podamos alterar su diámetro para que simulen la constricción de los vasos sanguíneos, utilizaremos 1 válvula con 1 entrada y 2 salidas. La pondremos a la salida del corazón, conectando una salida a una manguera con un diámetro, y otra a la otra manguera con otro diámetro, por lo que cuando queramos cambiar de manguera, simplemente giraremos la válvula de manera que se cierre una salida y se abra otra. Además pondremos a la mitad de cada arteria un medidor de presión.

• Órgano: Consiste en un espiral de manguera rodeado de vibradores que aportan al cambio de color del agua (ver cambio de color). Llevan el flujo a las venas
• Venas:/Mangueras: es una manguera que lleva el fluido del órgano hacia un recipiente que contiene otra bomba.
• Sangre/Fluido: Consiste en una mezcla de colorante rojo, azúcar y azul de metileno. Esta mezcla al principio es roja, mas si es agitada cambia su color a un morado intenso. El rojo representa la sangre oxigenada y el morado la desoxigenada.
• Sistema circulatorio menor: Es una parte del proyecto no considerada previamente. Se trata del intercambio de oxígeno que existe entre la sangre y los pulmones. Lo modelaremos utilizando un flujo que vaya desde el corazón hacia otro órgano (pulmones) impulsado por una bomba (la segunda bomba mencionada en la descripción de las venas). Tras salir de los pulmones, que también serán modelados como un espiral, el agua estará de color rojo y caerá en la primera bomba (mencionada en la descripción del corazón), completándose así el ciclo.

Entonces, el recorrido completo que hace el fluido es:
1. Recipiente 1 (color rojo)
2. Bomba 1 (color rojo)
3. Manguera/arterias (color rojo)
4. Medidor de presión (color rojo)
5. Órgano 1(color rojo que cambia a morado)
6. Venas (color morado)
7. Recipiente 2 (color morado)
8. Bomba 2 (color morado)
9. Pulmones (color morado que cambia a rojo)
10. Recipiente 1 (color rojo)

Calendario de trabajo

Organizaremos nuestro tiempo de manera que podamos analizar todas las opciones de diseño que tenemos, para así escoger la que se adapte mejor de acuerdo a nuestros objetivos.

Semana del 1 de Junio:

1) Compararemos ambos diseños de bomba, la mecánica contra la eléctrica. Uno de nuestros integrantes, Rodolfo, tiene una bomba eléctrica, con la cual experimentaremos, mas si no funciona, procederemos a ver la factibilidad de comprar una mecánica (Comprar una eléctrica es muy caro por lo cual no es opción).

2) Una vez resuelto el tema de la bomba, nos enfocaremos en el sistema de irrigación. Otro integrante, Gabriel, tiene de los ductos por los cuales fluye el suero en las piezas de hospitales, por lo que partiremos con eso. De no funcionar, procederemos a buscar los conductos que se aproximen a nuestra idea en tiendas y los compraremos.

Semana del 7 de Junio:

1) Comprados los conductos, veremos qué sistema usaremos para poder comprimir las arterias. Investigaremos cómo poder hacer esto de manera que se asemeje al funcionamiento de una arteria real, mas si no lo podemos hacer, crearemos un sistema de intercambio de conductos, de manera que podamos reducir el radio de la arteria reemplazando por ductos con menor diámetro.

2) Consultaremos en la faculta de química cómo lograr el cambio de color del fluido, viendo si nuestras ideas funcionan o cambiándolas por una que nos recomienden los expertos. Una vez hecho esto, compraremos los materiales.

Semana del 14 de Junio:

1) Analizaremos el armado del sistema completo, haciendo los últimos cambios de diseño en caso de ser necesario. Una vez que el diseño esté completo, compraremos la bomba si es que no vamos a usar la que tiene Rodolfo

2) Armaremos un prototipo que nos permitirá afinar detalles

Semana del 21 de Junio

1) Armaremos el modelo final, con todos las fallas del prototipo corregidas. Junto con esto, prepararemos material adicional educativo para poner en contexto el modelo y finalmente lo presentaremos para la evaluación final.

Desición Final

Haciendo un análisis comparativo, decidimos que haremos el proyecto del corazón, debido a que posee un carácter más educativo que el del espostracismo. Esto se debe a que no sólo muestra cómo la mecánica de fluidos se aplica a nuestro organismo, sino que enseña el funcionamiento del mismo de una manera atractiva y con una perpectiva sumamente novedosa

Corazón

Para mostrar esta idea, es necesario dividir el problema en 2 fases: la primera será la construcción del corazón y la segunda la de los vasos y plataforma sobre la cual irá montado el sistema.

Corazón

El corazón básicamente consiste en una bomba con cuatro cámaras, en éstas la sangre fluye desde las aurículas a los ventrículos, para luego impulsar la sangre hacia la circulación pulmonar y sistémica.
El diseño de la bomba se realizará considerando una sola válvula, la cual estará instalada a modo de pivote, separando dos cámaras. Así, en el momento en que una de las cámaras se encuentre con un llenado suficiente (ejerciendo una presión suficiente en el pivote), se permitirá el paso de la sangre por medio de la válvula-pivote hacia la otra cámara. Finalmente, la sangre será impulsada hacia las arterias que se describen en apartados posteriores.
Se estudiarán dos maneras en que será impulsada la sangre en la bomba, una de ellas corresponde a un sistema manual de bombeo similar a como se realiza con los tomadores de presión en personas. La otra forma consiste en un sistema eléctrico como el que utilizan las bombas en las piscinas (ver dibujo):
Cabe señalar que la implementación de ambos sistemas dependerá de los costos y factibilidad de cada uno de estos.
Por otra parte, el material con el cual será diseñado el corazón aun no está decidido, pero la idea es que sea transparente para observar el funcionamiento de la válvula y flexible para responder a las diferencias de llenado de las cámaras.

Vasos

• Arterias:
Para simular las contracciones de las arterias tenemos 2 posibilidades:

1) Podemos utilizar conductos de diversos radios para mostrar cómo es que el fluido (sangre) aumenta su velocidad al ser bombeado por tubos con radios más pequeños, simplemente intercambiándolos cada vez que queramos mostrar este fenómeno. Esto es simple de hacer, pero existe el inconveniente de que en el proceso de cambio, parte del líquido se puede salir del sistema.

2) La otra opción es usar un conducto que se pueda comprimir fácilmente, cambiando su radio mediante simple compresión. Esta idea, aunque es mejor que la anterior, es muy difícil de llevar a cabo debido a que prácticamente no hay tubos que se puedan contraer de manera considerable y uniforme, además de que hay que idear un sistema para llevar a cabo la compresión, dejando visible el fluido a todo momento, pues es esencial para esta idea el poder visualizar el recorrido del mismo.

Para mostrar que a través de las arterias fluye sangre oxigenada utilizaremos un líquido de algún color, preferentemente rojo, con densidad parecida al de la sangre. Esto lo podemos hacer con una disolución de agua, algún soluto y una sustancia colorante. La arteria comienza en el la bomba y termina en un recipiente que representa un órgano

Para simular el intercambio de oxígeno entre la sangre y los órganos haremos que el ducto que simula la arteria salga de la bomba (corazón) y termine en un órgano. Aquí, el fluido debe cambiar de color, lo cual podemos hacer de las siguientes maneras:

1) Lo ideal es que cambie de rojo a azul, lo cual se puede hacer con una mezcla de tartrato de sodio y potasio, sulfato de cobre (para pasar de azul a rojo) y agregar tras cada ciclo agua oxigenada (para pasar de rojo a azul). El problema con esto son los cambios de temperatura y el peligro de los reactantes.

2) Podemos usar glucosa y azul de metileno, para hacer un cambio de color de transparente a azul. Esto no presenta peligros, mas el cambio de color es algo lento y requiere agitación, por lo que en el órgano habría que instalar un sistema de agitación de agua (un vibrador por ejemplo). Lo otro es que la simbología de cambio de sangre oxigenada a desoxigenada es rojo a azul, y este sistema no respeta esa norma

3) Podemos pintar los tubos de las arterias rojo y el de las venas azul, mas esto no muestra el proceso de cambio como las otras alternativas

• Venas:
Utilizaremos solo un conducto con sección transversal elíptica y relativamente ancha para simular una vena de verdad

El ducto comenzará en el órgano y terminará en el corazón, cerrando el ciclo vena-arteria.

Para simular el cambio de oxigenación en el corazón

1) Si usamos la mezcla de tartrato de sodio y potasio, sulfato de cobre y agua oxigenada, en el corazón instalaremos un sistema que le agregue gotas de agua oxigenada a la mezcla cada vez que el fluido complete un ciclo. Esto es fácil de hacer, simplemente se puede poner un depósito con agua oxigenada a la entrada de la bomba y reemplazarlo cada vez que se acabe (el uso de un depósito asegura el funcionamiento del cambio de color mas de una vez)

2) Si utilizamos la glucosa y el azul de metileno, el cambio de color se produce simplemente esperando unos segundos. Esto haría que nuestro sistema fuese algo lento.

A modo esquemático, el sistema debería ser como muestra la figura:

Epostracismo (patitos)

A grandes rasgos, podemos mostrar el espostracismo de la siguiente manera:

Para la construcción del experimento será necesario considerar dos partes importantes. La primera es la plataforma de lanzamiento desde donde será disparada la piedra. El segundo punto son las piscinas en donde rebotarán las piedras.

Plataforma de Lanzamiento:

• Base de lanzamiento: Estructura que soportará todo el mecanismo y que además permitirá ir variando la altura de la plataforma de lanzamiento y el giro con respecto a la vertical. Deberá ser estable y grande. Se debería ver más o menos así:


1. Desde aquí se hará girar la base de lanzamiento.
2. Se puede ver como quedará el mecanismo por dentro de la base de lanzamiento.
3. Con esta palanca se entrega velocidad angular al sistema. Se hace girar y a través de engranajes se hace girar la plataforma que contiene a la piedra.
4. Desde acá se hace variar la altura de la plataforma.

• Plataforma: Es la estructura que contiene al lanzador:

• Lanzador: es un disco metálico que puede desplazarse a través de la plataforma. El lanzador contiene a la piedra y el dispositivo que le entrega velocidad angular.

• Contenedor: mantiene dentro del lanzador a la piedra mientras se mueve por la plataforma y mientras tiene velocidad angular.

• Banda aceleradora: es una correa elástica que acelera al lanzador a través de la plataforma y le entrega finalmente la velocidad inicial a la piedra. Esta conectada a la plataforma y al lanzador.

Finalmente una vista de la plataforma de lanzamiento con todas sus partes

Piscina

Para confeccionar la piscina necesitaremos tan solo tablas, clavos pegamento y un elemento aislante para que no se filtre el agua, el cual se ubicara sobre las tablas de madera.

Posibles proyectos a realizar

Hemos tomado la desición como grupo de enfocarnos en 2 de nuestras ideas: La idea del epostracismo (sapitos) y la idea del corazón, pues son las ideas que vemos como más prometedoras en cuanto a sus características educativas y lúdicas.

Lo que hace falta ahora es darles forma, es decir, pensar en diseños que puedan mostrar de manera concreta estas ideas. Para hacer esto, Rodolfo y Gabriel se encargarán de desarrollar la idea del corazón, mientras que Tomás y Luis de la idea del epostracismo.

Asignación de tareas

Cada integrante tiendra multiples tareas en el desarrollo del proyecto. Las tareas se especificarán por individuo.

1. Gabriel Lobo: Es el administrador del blog y coordinador del grupo. Además desarrollará la idea del efecto Coreolis realizando un estudio de factibilidad.

2. Rodolfo Ponce: Esta encargado de desarrollar la idea del Modelo de corazón, en donde se hará un estudio de factibilidad que contempla el diseño, los costos y utilidad educativa. También será el coordinador del grupo.

3. Tomás Peña: Esta encargado de desarrollar la idea de la Centrifuga. También deberá realizar un estudio de factibilidad que contempla el diseño, los costos y utilidad educativa. Además será el encargado de los informes escritos.

4. Luis Herrera: Esta encargado de desarrollar la idea del estudio de fluidos no newtonianos y de los “patitos”, igual deberá desarrollar el mismo estudio de factibilidad de ambos proyectos. Además será el encargado de la construcción del dispositivo final.

Idea 5: Centrífuga

Definición:
La centrifugación corresponde a la operación la cual consiste en girar un cilindro o cono de pared sólida, para separar líquidos de sólidos, o líquidos inmiscibles.

Centrifuga de sedimentación:
Por acción de la fuerza centrifuga una porción de fluido de espesor fijo se sostiene contra la pared, y como la magnitud de la fuerza centrifuga es mayor que la fuerza de la gravedad, la superficie del liquido se encuentra paralela al eje de rotación.
Los fluidos con mayor masa específica se hunden, y las fases con menor masa específica se levantan.

Centrifuga de filtración:
Estas operan con un tambor de rotación de lavadora domestica .La pared de la canasta esta perforada y cubierta con un medio filtrante (tela fina), el liquido traspasa el medio filtrante acción de la fuerza centrifuga, y los sólidos quedan atrapados en el medio filtrante.

Objetivo: Mostrar los efectos y algunos usos prácticos de las centrífugas

Idea 4: Estudio de fluidos no Newtonianos

Objetivo: entender las características de un fluido no newtoniano y como puede variar la viscosidad de acuerdo al fluido no newtoniano al que se aplique el corte.

Descripción: Para llevar a cabo el experimento se puede aplicar un esfuerzo de corte a distintos fluidos. Una forma de hacerlo es dejando caer un peso sobre un recipiente lleno de fluido. La persona que esté desarrollando el experimento verá que es lo que pasa con el fluido al golpearlo con el peso.

La idea es comparar el resultado con algunos fluidos conocidos como el agua, el aceite y algunos fluidos no-newtonianos. Pues bien, para el caso del agua y los fluidos newtonianos, se verá como se deforma infinitamente ante el corte producido por el peso aplicado. En cambio para los fluidos no-newtonianos tendremos una reacción distinta ante el esfuerzo de corte producido por el peso, ya que primero actuará como una superficie sólida ante el cuerpo, pero después que se encuentre sobre el fluido el corte producto del peso propio hará que descienda lentamente .

Idea 3: “Patitos”

Objetivo: entender las leyes físicas involucradas en el lanzamiento de una piedra al agua cuando se hace un patito, entendiendo primordialmente las propiedades de un fluido, en este caso el agua que lo hacen posible.

Descripción: Para realizar el experimento se necesita elaborar una máquina que permita lanzar pequeñas piedras helicoidales que ayuden a un buen rebote. La idea del experimento es poder lanzar de distintas formas este objeto y entender que es lo que hace que la piedra pueda rebotar visto desde un punto de vista físico además de cómo lograr una mayor cantidad de “patitos” de un solo lanzamiento. Una variación de este experimento puede ser lograr acertar en distintos blancos una piedra lanzada desde el mismo punto simplemente haciendo variar su velocidad.

Idea 2: Modelo del efecto Coriolis:

Un aspecto de la mecánica de fluidos que captó nuestra atención fue el porqué se forman algunos fenómenos atmosféricos como los tornados o porqué el agua, al bajar por el lavamanos, crea un pequeño remolino.

Tras investigar, vimos que la explicación a estos fenómenos yace en una fuerza que se debe a la rotación de la tierra, la cual se llama Fuera de Coriolis, que definimos a continuación:

Fuerza ficticia que un observador de un sistema en rotación a velocidad angular constante ve actuar sobre un cuerpo, cuando éste está en movimiento con respecto al sistema en rotación.

Debido a que la Tierra gira de oeste a este, un objeto situado en el ecuador se está moviendo hacia el este a gran velocidad. en los polos no existe tal movimiento y en los lugares de latitud intermedia hay velocidades intermedias. Si un objeto que está en el ecuador es impulsado hacia el norte o hacia el sur ,su exceso de movimiento hacia el este lo desviará lateralmente, como si fuera empujado por una fuerza. Dicha fuerza se conoce como la fuerza de Coriolis debido a Gustave Coriolis (1792-1843).

Una de nuestras ideas es entonces mostrar qué es el efecto Coriolis y cómo este afecta al comportamiento de los fluidos.

Podemos ver el efecto en video en los siguientes enlaces:
http://www.youtube.com/watch?v=49JwbrXcPjc
http://www.youtube.com/watch?v=mcPs_OdQOYU

Idea 1: Modelo de corazón

Todos los seres vivos están formados casi en su totalidad por agua, de ahí la importancia de este fluido para la vida. En los seres vivos superiores, como el hombre, es necesario el transporte de sustancias en la sangre - medio fluido- a todos los tejidos, lo cual es posible gracias a la existencia de una bomba natural: el corazón.

El objetivo de este proyecto es modelar y diseñar un corazón con el fin de mostrar el funcionamiento y junto con ello comprender lo vital que resulta para el ser humano. Además estudiar y analizar las características del fluido en movimiento dentro del circuito.

Objetivos

• Diseñar, crear y construir un proyecto innovador que sea capaz de modelar un fenómeno relacionado con la mecánica de fluidos

• Analizar y comprender el fenómeno a modelar, a partir de nuestros conocimientos de mecánica de fluidos.

• Mostrar y explicar el origen, desarrollo y funcionamiento del fenómeno a modelar a partir de las propiedades y estados de los fluidos.

• Incentivar, motivar y educar a la comunicad en forma interactiva y lúdica , a fin de que conozcan y aprendan la importancia de los fluidos y su interacción con lo que los rodea, en sus distintos campos de acción

• Desarrollar en los alumnos la capacidad de trabajar en equipo (asignación y cumplimiento de tareas asignadas, responsabilidades, metas).

• Analizar y resolver dificultades en las etapas de creación, diseño y construcción del modelo.

Bienvenidos!

Bienvenidos al blog del grupo 56. En este blog pretendemos mostrar paso a paso, idea a idea, cómo progresa nuestro proyecto para el curso de mecánica de fluidos, de modo que se convierta en un diario de vida para el mismo.

Los integrantes somos:
Rodolfo Ponce: rlponce@uc.cl
Luis Herrera: lfherrer@gmail.com
Tomás Peña: tcpena@uc.cl
Gabriel Lobo: gplobo@uc.cl