Desde que comenzamos con este proyecto se nos presentó una incertidumbre que no nos dejó hasta el momento de hacer las pruebas con el dispositivo. No sabíamos si el fenómeno de la cavitación iba a ocurrir realmente o no. Tampoco sabíamos si era factible lograr una presión lo suficientemente baja como para que éste ocurriera.
Al hacer el modelo matemático nos dimos cuenta de que la fuerza necesaria para lograr la presión de vapor a una temperatura ambiente no era grande, y estaba lejos de ser infactible. Pero junto con esta solución se presentó el problema de la entrada del aire al sistema que podía entorpecer considerablemente el fenómeno.
Cuando se construyó el dispositivo y se probó, cuidando de no dejar entrar aire al sistema, se llegó a resultados muy alentadores; el agua realmente se evaporaba. Eso sí, no debe dejarse de lado que igual había pequeñas burbujas de aire dentro de la jeringa que fueron imposibles de sacar, y que después de varias pruebas, entorpecían la apreciación del fenómeno. Por esto fue bueno que el dispositivo sea desarmable y re-armable fácilmente, así podía volver a quitarse el aire del sistema y comenzar de nuevo.
Este último problema es fundamental al momento de introducir mejoras. Habría que buscar una forma de quitar todo el aire que se pega en forma de burbujas muy pequeñas a la jeringa y el émbolo. También sería importante tapar bien todo el sistema para que no se salga el agua y así el dispositivo sea más portátil y manejable. Esta última mejora es muy fácil de implementar, pero no lo hemos hecho por falta de tiempo.
viernes, 26 de junio de 2009
Evaluación de desempeño
Se hicieron pruebas con el dispositivo y se pudo apreciar el fenómeno de la ebullición a temperatura ambiente; tal como se había pensado y planeado.
Se midió la temperatura del agua: T = 14ºC.
Se midió la fuerza que tuvo que hacerse para tirar del émbolo y lograr la ebullición del agua y se registraron los siguientes valores en una balanza para colgar.
Los valores obtenidos empíricamente son mayores que los obtenidos en el modelo matemático seguramente porque en la realidad el roce sí hace su parte importante al momento de tirar del émbolo.
Cabe destacar que al tirar del émbolo no se da una expansión del agua inmediatamente, por ser un fluido incompresible, sino que disminuye la presión hasta tal punto que parte del agua pasa a estado gaseoso pasando a ser un fluido compresible. Recién en este momento comienza la expansión.
Además, es de suma importancia mencionar que este prototipo no es perfecto; porque aunque se trate de quitar todas las burbujas de aire de la jeringa y el émbolo, e incluso se pongan estos dentro de un recipiente con agua para evitar entradas de aire, no nos ha sido posible quitar el aire en su totalidad, y éste sigue apareciendo después de una serie de pruebas confundiendo el fenómeno de la ebullición con una simple expansión de aire.
Por esto mismo, nuestro dispositivo es desarmable, porque así podemos volver a quitar el aire y llenar de agua sus piezas para volver a apreciar de manera nítida el fenómeno.
Volviendo a los datos numéricos; el valor promedio registrado de 33,516 N nos indica que efectivamente se llegó a la presión de vapor del agua a 14ºC, por lo tanto, las burbujas que aparecieron son producto de la ebullición de ésta.
Se midió la temperatura del agua: T = 14ºC.
Se midió la fuerza que tuvo que hacerse para tirar del émbolo y lograr la ebullición del agua y se registraron los siguientes valores en una balanza para colgar.
Los valores obtenidos empíricamente son mayores que los obtenidos en el modelo matemático seguramente porque en la realidad el roce sí hace su parte importante al momento de tirar del émbolo.
Cabe destacar que al tirar del émbolo no se da una expansión del agua inmediatamente, por ser un fluido incompresible, sino que disminuye la presión hasta tal punto que parte del agua pasa a estado gaseoso pasando a ser un fluido compresible. Recién en este momento comienza la expansión.
Además, es de suma importancia mencionar que este prototipo no es perfecto; porque aunque se trate de quitar todas las burbujas de aire de la jeringa y el émbolo, e incluso se pongan estos dentro de un recipiente con agua para evitar entradas de aire, no nos ha sido posible quitar el aire en su totalidad, y éste sigue apareciendo después de una serie de pruebas confundiendo el fenómeno de la ebullición con una simple expansión de aire.
Por esto mismo, nuestro dispositivo es desarmable, porque así podemos volver a quitar el aire y llenar de agua sus piezas para volver a apreciar de manera nítida el fenómeno.
Volviendo a los datos numéricos; el valor promedio registrado de 33,516 N nos indica que efectivamente se llegó a la presión de vapor del agua a 14ºC, por lo tanto, las burbujas que aparecieron son producto de la ebullición de ésta.
Predicción de desempeño
Para modelar esta situación debemos dejar en claro algunos supuestos:
-El agua es fluido ideal e incompresible.
-No existen fuerzas de roce ni viscosas.
-No se cuela aire en el sistema; sólo agua.
A continuación el diagrama de fuerzas:
Debemos lograr que al nivel del émbolo, la presión del agua disminuya desde la presión atmosférica hasta la presión de vapor correspondiente a los 15ºC de temperatura del agua.
A continuación se muestra un gráfico con las presiones de vapores a diferentes temperaturas para el agua:
-El agua es fluido ideal e incompresible.
-No existen fuerzas de roce ni viscosas.
-No se cuela aire en el sistema; sólo agua.
A continuación el diagrama de fuerzas:
Debemos lograr que al nivel del émbolo, la presión del agua disminuya desde la presión atmosférica hasta la presión de vapor correspondiente a los 15ºC de temperatura del agua.
A continuación se muestra un gráfico con las presiones de vapores a diferentes temperaturas para el agua:
Tenemos que F = ΔP * A
donde ΔP = Patm – Pvapor(T=15ºC) y A = Π*r^2
Patm = 101325 Pa
Pvapor(T=15ºC) = 12,788 Torr = 1704,92 Pa
r = 0,009 m
entonces:
ΔP = 99620,1 Pa
A = 0,000254 m^2
finalmente:
F = 25,35 N
lo que equivale a levantar 2,59 Kg.
El resultado es razonable; la fuerza que se sentiría al tirar del mango de la jeringa podría andar por esos valores.
Con esta fuerza lograríamos que el agua más cercana al émbolo embulla a 15°C.
Visualización del concepto
A continuación se mostrarán dos videos en los que se puede apreciar visiblemente el fenómeno de la cavitación:
Este video muestra básicamente lo mismo que el video anterior pero con zoom en la jeringa en alque se produce la cavitación:
Este video muestra básicamente lo mismo que el video anterior pero con zoom en la jeringa en alque se produce la cavitación:
Prototipo de la solución elegida
Habiendo elegido la alternativa 1 (la jeringa), procedimos a comprar los materales y construir el prototipo.
El primer paso fue ir al centro de servicios externos de la universidad, ahí conseguimos una jeringa con la que construiríamos el prototipo a escala. Para probar nuestra teoría, nos dirigimos al laboratorio de Hidráulica en donde verificamos que se cumpliera realmente nuestro objetivo: lograr una cavitación.
Una vez que comprobamos que se cumplía nuestra teoría, fuimos a comprar todos los materiales para construir el prototipo final. La compra de los materiales resultó ser muy económica: La jeringa desechable costó $390, El embase que contiene a la jeringa costó $2.490 y el pegamento que usamos (gotita) tuvo un costo de $1.390. El prototipo tuvo un costo total de $4.270.
Construcción del Prototipo
Param contruir el prototipo usamos lo siguiente: dos jeringas, una de 60 ml y una de 20 ml; un embase de salsa barbeque y el pegamento gotita.
Usamos el embase de salsa barbeque como contenedor de agua, para que no entre aire dentro de la jeringa. Luego, adosamos en el fondo del embase un pedazo de la jeringa de 60 ml que haría las veces de fijador. El siguiente paso fue el más complejo, llenar la jeringa de 20 ml con agua pero sin que quede aire dentro de ella. Para esto llenamos una tina de agua e introdujimos tanto el embase como la jeringa de 20 ml, dado que el armado final se hace dentro del agua, así aseguraríamos la menor cantidad de oxígeno posible. Pusimos también un pedazo de jeringa de 60 ml en el extremo superior del embase para que la jeringa de 20 ml no se moviera. Por último, para tapar el extremo de la jeringa, ocupamos la boquilla de la jeringa de 60 ml a modo de tapón.
Nuestro prototipo final quedó como se muestra en la siguiente imagen.
Al producirse la expansión de la jeringa (tirando el émbolo hacia afuera), se produce la cavitación, ésta la podemos apreciar visiblemente como se muestra en laa siguiente imagen.
El primer paso fue ir al centro de servicios externos de la universidad, ahí conseguimos una jeringa con la que construiríamos el prototipo a escala. Para probar nuestra teoría, nos dirigimos al laboratorio de Hidráulica en donde verificamos que se cumpliera realmente nuestro objetivo: lograr una cavitación.
Una vez que comprobamos que se cumplía nuestra teoría, fuimos a comprar todos los materiales para construir el prototipo final. La compra de los materiales resultó ser muy económica: La jeringa desechable costó $390, El embase que contiene a la jeringa costó $2.490 y el pegamento que usamos (gotita) tuvo un costo de $1.390. El prototipo tuvo un costo total de $4.270.
Construcción del Prototipo
Param contruir el prototipo usamos lo siguiente: dos jeringas, una de 60 ml y una de 20 ml; un embase de salsa barbeque y el pegamento gotita.
Usamos el embase de salsa barbeque como contenedor de agua, para que no entre aire dentro de la jeringa. Luego, adosamos en el fondo del embase un pedazo de la jeringa de 60 ml que haría las veces de fijador. El siguiente paso fue el más complejo, llenar la jeringa de 20 ml con agua pero sin que quede aire dentro de ella. Para esto llenamos una tina de agua e introdujimos tanto el embase como la jeringa de 20 ml, dado que el armado final se hace dentro del agua, así aseguraríamos la menor cantidad de oxígeno posible. Pusimos también un pedazo de jeringa de 60 ml en el extremo superior del embase para que la jeringa de 20 ml no se moviera. Por último, para tapar el extremo de la jeringa, ocupamos la boquilla de la jeringa de 60 ml a modo de tapón.
Nuestro prototipo final quedó como se muestra en la siguiente imagen.
Al producirse la expansión de la jeringa (tirando el émbolo hacia afuera), se produce la cavitación, ésta la podemos apreciar visiblemente como se muestra en laa siguiente imagen.
De esta forma construimos el prototipo y pudimos comprobar con éxito que se puede apreciar la cavitación del agua (evaporación sin cambio significativo de temperatura).
Anécdota: Al hacer el experimento, una de las personas que estaba mirando nos dijo: "¡oh! No sabía que el agua también se podía evaporar sin calor". Con esto comprobamos también, que nuestro prototipo servirá para mostrar de manera empírica el increíble fenómeno de la cavitación.
Solución elegida.
Si bien las dos ideas presentadas anteriormente muestran el efecto de la presión sobre el punto de ebullición del agua, creemos que la alternativa que mejor se adapta a nuestros requerimientos y capacidades de construcción es la alternativa 1. Creemos que esta alternativa es más factible a la hora de construir un prototipo que sea simple, fácil de operar y didáctico, como nos planteamos que debería ser nuestro dispositivo. Una de las razones de esta elección es que la jeringa es un implemento ya existente en el mercado que nos permitiría simular de muy buena manera el fenómeno, que sumado a que es de muy bajo costo, hace que su uso para la construcción del dispositivo sea muy viable. Además, por el mismo hecho de que la jeringa ya exista nos hace más fácil construir nuestro dispositivo, ya que no procederíamos a la construcción de un sistema similar a ella.
Por otro lado, creemos que la alternativa 2 puede presentar complicaciones a la hora de la construcción y del uso del dispositivo. Esto se debe a que hacer un acordeón plegable y flexible que no tenga filtraciones de aire y que permita el uso frecuente de parte de los usuarios es muy difícil. Para ello requeriríamos de materiales muy resistentes y blandos a la vez, los cuales son de elevado costo, especialmente teniendo en cuenta el objetivo que nos planteamos en un principio respecto al costo del dispositivo (no más allá de $20.000-.)
Por otro lado, el uso de la jeringa nos permite asegurarnos de que nuestro dispositivo será seguro para quien lo opere. La alternativa 2 del acordeón puede ser algo peligrosa en el caso de una ruptura espontánea de éste al estar siendo sometido a una baja de presión.
Por otro lado, creemos que la alternativa 2 puede presentar complicaciones a la hora de la construcción y del uso del dispositivo. Esto se debe a que hacer un acordeón plegable y flexible que no tenga filtraciones de aire y que permita el uso frecuente de parte de los usuarios es muy difícil. Para ello requeriríamos de materiales muy resistentes y blandos a la vez, los cuales son de elevado costo, especialmente teniendo en cuenta el objetivo que nos planteamos en un principio respecto al costo del dispositivo (no más allá de $20.000-.)
Por otro lado, el uso de la jeringa nos permite asegurarnos de que nuestro dispositivo será seguro para quien lo opere. La alternativa 2 del acordeón puede ser algo peligrosa en el caso de una ruptura espontánea de éste al estar siendo sometido a una baja de presión.
Se puede apreciar que hay variaciones respecto al dibujo de la alternativa 1. Esto se debió a que teníamos que sumergir la jeringa en un medio líquido con el fin de que no se colara aire a través del émbolo de la jeringa. Para ello, encontramos la solución introduciendo la jeringa en un recipiente o botella que permitiera alojarla en su interior y que a la vez pueda estar llena de agua para simular ese medio líquido que queremos.
La varilla de acción permite subir y bajar el émbolo de la jeringa, la cual se encuentra llena de agua a presión atmosférica. Al subir la varilla logramos aumentar el volumen interior de la jeringa y así reducimos la presión interior, llegando a alcanzar una presión tal que alcancemos la temperatura de ebullición del agua igual a la temperatura ambiente (20°C).
Las barras laterales, las barras diagonales, y el soporte inferior afirman la jeringa dentro del recipiente. Estas deben ser firmes y bien sujetas al recipiente y a la jeringa ya que al jalar la varilla de acción se ejerce una fuerza suficiente como para desprender la jeringa de sus soportes o quebrar las barras. Además, el soporte inferior cumple la función de sellar la puta de la jeringa (donde originalmente se coloca la aguja) para que no entre agua al subir la varilla de acción.
Alternativas de Diseño
Lograr una presión tan baja como para evaporar el agua es la mayor dificultad que debemos afrontar. Partimos pensando en una jeringa común y corriente rellena con agua a la cual le podíamos disminuir su presión tirando del émbolo hasta lograr que parte del agua se evapore. Esta idea no nos dejó tranquilos porque es muy fácil que se cuele aire por el émbolo al haber una diferencia tan grande de presión. A partir de esto pensamos en varias ideas, de las cuales explicaremos las dos que mejor nos parecieron. Las dos ideas que vienen a continuación se basan en el modelo de una jeringa a la que se disminuye la presión para lograr la evaporación.
Alternativa 1:
El gran problema que tenemos es lograr la presión que buscamos. Usando una jeringa normal, nos ocurrió que entraba aire, y, como bien sabemos, el aire puede expandirse demasiado sin variar mucho la presión, por lo que no queremos ningún tipo de gases dentro del dispositivo. Para esto, una de las ideas que se nos ocurrió es hacer un tipo de jeringa pero que sobre el émbolo, tuviera algún líquido ojalá más denso que el agua, algo así como aceite. La idea es tratar de que no entre nada externo a nuestro dispositivo, pero si llegara a entrar algo, que entre algo incompresible. Apenas se logre la presión buscada se evaporará un poco de agua, lo que hará que la presión se reduzca la presión dado que el vapor de agua es un gas compresible. Esto será suficiente para demostrar que con cambios de presión podemos provocar una evaporación sin alterar la temperatura. Como sabemos que es bastante difícil lograr presiones muy bajas, hemos contemplado aplicar un sistema de vasos comunicantes, en donde el émbolo esté en el vaso con mayor superficie y que haya un vaso con menor superficie en el que esperamos que ocurra la evaporación.
A continuación se muestra gráficamente el desarrollo de nuestra idea.
Figura 1. Dibujo de la alternativa 1
Donde el tubo celeste es agua (si no es factible usar agua lo haremos con alcohol), las partes negras son aislantes de goma, la sección amarilla es aceite y tiene un par de topes para que no se salga algún líquido.
Alternativa 2:
Con el afán de buscar un dispositivo totalmente cerrado por el cual no haya posibilidad de entrada del aire se nos ocurrió poner una especie de acordeón en la boca de un tubo transparente lleno de agua. Entonces, para aumentar el volumen dentro del tubo, en vez de tirar de un émbolo, se estira este acordeón. Con esto podemos lograr presiones muy bajas. Sin embargo, esta alternativa tiene una dificultad: encontrar los materiales para el acordeón que puedan mantener su forma y no se succionen por la poca presión al interior. Además, como en la alternativa 1, debemos encontrar un material transparente y resistente a la vez para que no colapse.
Figura 2. Dibujo de la alternativa 2
Variante para la idea inicial y sus alternativas
Aunque la idea es mostrar la evaporación del agua porque es este fluido con el que nos topamos en la vida diaria, si las alternativas anteriores no fueran factibles, entonces podríamos hacer lo mismo pero con alcohol, que tiene la ventaja de ser más volátil. Por lo tanto necesitaríamos menos presión para mostrar el fenómeno y nos ahorraríamos problemas de colapso de materiales.
Alternativa 1:
El gran problema que tenemos es lograr la presión que buscamos. Usando una jeringa normal, nos ocurrió que entraba aire, y, como bien sabemos, el aire puede expandirse demasiado sin variar mucho la presión, por lo que no queremos ningún tipo de gases dentro del dispositivo. Para esto, una de las ideas que se nos ocurrió es hacer un tipo de jeringa pero que sobre el émbolo, tuviera algún líquido ojalá más denso que el agua, algo así como aceite. La idea es tratar de que no entre nada externo a nuestro dispositivo, pero si llegara a entrar algo, que entre algo incompresible. Apenas se logre la presión buscada se evaporará un poco de agua, lo que hará que la presión se reduzca la presión dado que el vapor de agua es un gas compresible. Esto será suficiente para demostrar que con cambios de presión podemos provocar una evaporación sin alterar la temperatura. Como sabemos que es bastante difícil lograr presiones muy bajas, hemos contemplado aplicar un sistema de vasos comunicantes, en donde el émbolo esté en el vaso con mayor superficie y que haya un vaso con menor superficie en el que esperamos que ocurra la evaporación.
A continuación se muestra gráficamente el desarrollo de nuestra idea.
Figura 1. Dibujo de la alternativa 1
Donde el tubo celeste es agua (si no es factible usar agua lo haremos con alcohol), las partes negras son aislantes de goma, la sección amarilla es aceite y tiene un par de topes para que no se salga algún líquido.
Alternativa 2:
Con el afán de buscar un dispositivo totalmente cerrado por el cual no haya posibilidad de entrada del aire se nos ocurrió poner una especie de acordeón en la boca de un tubo transparente lleno de agua. Entonces, para aumentar el volumen dentro del tubo, en vez de tirar de un émbolo, se estira este acordeón. Con esto podemos lograr presiones muy bajas. Sin embargo, esta alternativa tiene una dificultad: encontrar los materiales para el acordeón que puedan mantener su forma y no se succionen por la poca presión al interior. Además, como en la alternativa 1, debemos encontrar un material transparente y resistente a la vez para que no colapse.
Figura 2. Dibujo de la alternativa 2
Variante para la idea inicial y sus alternativas
Aunque la idea es mostrar la evaporación del agua porque es este fluido con el que nos topamos en la vida diaria, si las alternativas anteriores no fueran factibles, entonces podríamos hacer lo mismo pero con alcohol, que tiene la ventaja de ser más volátil. Por lo tanto necesitaríamos menos presión para mostrar el fenómeno y nos ahorraríamos problemas de colapso de materiales.
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