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:
viernes, 26 de junio de 2009
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.
lunes, 18 de mayo de 2009
Calendario de Trabajo
A continuación definiremos las fechas.
- Martes 26 de Mayo: Tener averiguada la factibilidad de la idea.
- Viernes 29 de Mayo: Informe de Avance.
- Martes 2 de Junio: Averiguar el tipo de maateriales a usar, sus ventajas y desventajas.
- Martes 9 de Junio: Hacer cotización del proyecto.
- Jueves 11 de Junio: Construir prototipo a escala y hacer las pruebas correspondientes.
- Viernes 19 de Junio: Revisión 3 del blog.
- Lunes 22 de Junio: Construir prototipo final.
- Viernes 26 de Junio: Entrega final.
Metodología
19:00-19:30: definir las metodologías y el calendario de trabajo de acuerdo a los objetivos
Para llevar a cabo el proyecto, comenzaremos por investigar qué tan factible es disminuir la presión a 23 mmHg o alguna presión en la que se vea el fenómeno buscado. Seguramente este paso implicará hacer modificaciones a la idea inicial, o quizás cambiarla por otra. En caso de que el proyecto sea viable los pasos a seguir serían los siguientes:
Para llevar a cabo el proyecto, comenzaremos por investigar qué tan factible es disminuir la presión a 23 mmHg o alguna presión en la que se vea el fenómeno buscado. Seguramente este paso implicará hacer modificaciones a la idea inicial, o quizás cambiarla por otra. En caso de que el proyecto sea viable los pasos a seguir serían los siguientes:
- Averiguar qué materiales económicos y resistentes podríamos utilizar.
- Pensar en las dimensiones óptimas que debería tener el dispositivo en cuestión para que cumpla con las metas propuestas.
- Construir un prototipo a escala (sólo si es realmente necesario).
- Probar el dispositivo.
- Construir un prototipo tamaño real.
- Realizar las pruebas finales.
¿Qué haremos?
Desde chicos se nos ha enseñado que el agua cuando está muy caliente se evapora y podíamos darnos cuenta de esto al ver cocinar a nuestras madres, o cuando nos duchábamos, incluso en el borde de una piscina cuando hacía mucho calor. También se nos enseñó que el agua del mar se evaporaba durante el día y formaba las nubes. A partir de esto nos surgió una duda, siempre se nos dijo que el agua se evaporaba a los 100°C, pero en algunos ejemplos anteriores esto no sucede a esa temperatura.
Cuando crecimos, algunos de nosotros fuimos alguna que otra vez a subir cerros y hacer expediciones, ahí nos dimos cuenta de otra cosa que sucedía; ¡¿por qué no se hacían nunca los tallarines?! ¡Qué tiene el agua de la cordillera que se evapora tan rápido!
Por estos motivos y mucho más, introduciremos el concepto de la presión como factor determinante en el punto de ebullición. Por fin los niños podrán entender que el agua no se evapora únicamente por el calor entregado, sino que también influye "esa como fuerza que aprieta todo".
Para poder mostrar este concepto, pondremos un fluído (idealmente agua) en un recipiente cerrado en el cual podamos disminuir la presión lo suficiente como para ver que parte del fluído pasa a estado gaseoso.
Este procedimiento es un desafío no menor, ya que debemos reducir la presión desde los 760 mmHg (presión atmosférica) a aproximadamente 23,756 mmHg, esto es, si quisiéramos lograr que toda el agua que está en el recipiente se transforme en vapor. Aunque nuestra idea es sólo mostrar que hay evaporación, no necesariamente evaporando todo el fluído.
Cuando crecimos, algunos de nosotros fuimos alguna que otra vez a subir cerros y hacer expediciones, ahí nos dimos cuenta de otra cosa que sucedía; ¡¿por qué no se hacían nunca los tallarines?! ¡Qué tiene el agua de la cordillera que se evapora tan rápido!
Por estos motivos y mucho más, introduciremos el concepto de la presión como factor determinante en el punto de ebullición. Por fin los niños podrán entender que el agua no se evapora únicamente por el calor entregado, sino que también influye "esa como fuerza que aprieta todo".
Para poder mostrar este concepto, pondremos un fluído (idealmente agua) en un recipiente cerrado en el cual podamos disminuir la presión lo suficiente como para ver que parte del fluído pasa a estado gaseoso.
Este procedimiento es un desafío no menor, ya que debemos reducir la presión desde los 760 mmHg (presión atmosférica) a aproximadamente 23,756 mmHg, esto es, si quisiéramos lograr que toda el agua que está en el recipiente se transforme en vapor. Aunque nuestra idea es sólo mostrar que hay evaporación, no necesariamente evaporando todo el fluído.
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