Proyecto - Fluido No Newtoniano

 

Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE. Integrantes: Molina M. Mateo J. Quishpe M. Damián A. Recalde P. Génesis A. Rodríguez R. Gabriela N. Zuleta Ch. Gianella S. Paralelo: TV16

INTRODUCCIÓN En el siguiente proyecto se demostrará el comportamiento del fluido no newtoniano y a su vez cómo estos pueden ayudar para la creación de instrumentos. Se investiga con este tipo de fluidos la fabricación de chalecos antibalas, cascos, indumentaria, debido a su capacidad para absorber la energía de impacto de una fuerza externa, pero  permaneciendo flexibles dependiendo el impacto que produce, en este caso nuestro  proyecto será la creación de un casco, pues tales fluidos son muy prácticos ya que viscosidad o resistencia a fluir varía con el gradiente de tensión que se le aplica, es decir, se deforma en la dirección de la fuerza aplicada. Para la formación del fluido no newtoniano necesitamos de fécula de maíz o maicena  junto con agua como materiales esenciales, además de elementos como papel, bolsas,  botellas, para darle el diseño que deseamos obtener y que así pueda funcionar de una manera adecuada aprovechando al máximo el beneficio que nos dispone este fluido.

La creación del casco surgió de la idea de conocer la importancia de estos en deportes y en trabajos como en las construcciones, convirtiéndolo principalmente a que sea asequible al ser un producto de fácil producción y a la vez nos permite potenciar la capacidad de este material con insumos básicos al alcance de todos.

EL PROBLEMA 1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Los cascos son parte fundamental en el equipo de protección para deportistas, puesto que reduce el riesgo de lesiones graves en la cabeza e incluso salvan vidas, pero a más de eso, es de suma importancia que los cascos sean ligeros para mejorar el rendimiento de quien lo use. Los cascos normales están elaborados de materiales pesados y aquellos 1

 

cuyos materiales son ligeros, son realmente caros. Los fluidos no newtonianos, son un material flexible e inteligente y aunque parezca viscoso, se volverá rígido al impacto absorbiendo la energía del golpe, sin embargo, su peso no es el ideal, pero por todas las  propiedades antes mencionadas es una gran alternativa para la l a fabricación de cascos que sean útiles en los deportes y la construcción.

1.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿La fabricación de cascos protectores a base de fluidos no newtonianos es una alternativa eficiente que podría ser usada en la práctica de diferentes deportes y en la construcción?

1.3. OBJETIVOS 1.3.1.  Objetivo General Construir un casco mediante el uso del fluido no newtoniano para de esa manera maximizar la agilidad de la persona que lo use.

1.3.2.  Objetivos Específicos   Elaborar un casco con materiales de poco peso y de fácil adquisición.



  Experimentar la dureza de un fluido no newtoniano en presencia de impactos de



distinta intensidad.

  Comprobar la ligereza del casco mediante experiencias reales.



1.4.JUSTIFICACIÓN El proyecto se lleva a cabo debido al desconocimiento de las personas acerca de lo que es un fluido no newtoniano y maneras de aprovecharlo, estos fluidos tienen la característica peculiar de que su viscosidad dependerá del gradiente de tensión que se le aplique, en otras palabras, mientras más tensión se ejerza, esté se comportará como sólido, lo que da como resultado una mejor absorción de los golpes. Aunque esta característica pueda parecer difícil de conseguir, lo realmente sorprendente es que estamos rodeados de fluidos de este tipo y existen muchas maneras de usarlos para nuestro beneficio, sin embargo, poco o nada se saca provecho de ellos, entonces de ahí nace la necesidad de un estudio más profundo acerca del comportamiento de éstos, mediante la elaboración de un casco que nos permita comprobar su comportamiento. Esto junto a la aplicación de diferentes cálculos para medir fuerza que forman parte de 2

 

los temas proporcionados por el Preuniversitario de la Universidad de las Fuerzas Armadas- ESPE son una forma útil para poner en práctica el conocimiento c onocimiento adquirido. La elaboración del casco a más de permitirnos estudiar de mejor manera los fluidos que no cumplen la ley de viscosidad establecida por Newton, resulta ser una manera alternativa de un casco, que es mucho más amigable con el ambiente y asequible, ya que  producirlo es sumamente fácil, puesto que puede ser elaborado con materiales de fácil adquisición. Finalmente, se adhiere el incentivo a los estudiantes a la búsqueda e investigación de nuevas tecnologías amigables con el medio ambiente, además de ser innovadoras.

MARCO TEÓRICO 2.1. ANTECEDENTES Sir Isaac Newton, quien estableció las elementales leyes de la mecánica clásica, fue un  pionero de la mecánica de fluidos, una de las ramas de la Física, estableciendo est ableciendo una ley sobre la viscosidad, cuya ley tiene como tema, la resistencia de un fluido a fluir, aquellos fluidos que verifican este comportamiento se denominan fluidos newtonianos y  por ende los fluidos a los que no sea aplicable este comportamiento se les denomina fluidos no Newtonianos. Un fluido no newtoniano es aquel cuya viscosidad varia con el gradiente de tensión que se le aplica como resultado, un fluido no newtoniano no tiene valor de viscosidad definido y constante a diferencia de un fluido newtoniano. Los líquidos no newtonianos son los que no presentan linealidad en la relación entre la viscosidad y esfuerzo cortante cortante que es lo que establece la ley de newton. Estos fluidos a su vez se diferencian en dependientes e independientes del tiempo.

2.2. DEFINICIÓN DE TÉRMINOS Aceleración: acción o efecto de aumentar la velocidad. Campos de fuerza: espacio en el que varía la fuerza. Cinemática:  estudia el movimiento producido en un espacio y tiempo, sin tener en cuenta las causas que lo producen.

3

 

Dinámica: estudia el movimiento tomando en cuenta las causas que lo producen como: fuerza, peso, fricción, entre otros.

Esfuerzo cortante:  resistencia que aparece entre dos láminas deslizantes, valor límite de la fuerza por unidad de área a medida que esta se reduce.

Fluido dilatante: suspensiones en las que se evidencia un aumento de viscosidad. visc osidad. Fricción interna: resistencia interna de un líquido a fluir. Gradiente: variación de la magnitud en función a una distancia. Peso molecular:  suma de los pesos atómicos de los elementos que conforman una molécula.

Presión: intensidad de la fuerza que se ejerce sobre cada área de un objeto. Pseudoplásticos: son fluidos que disminuyen su viscosidad al aumentar la velocidad de deformación que se le aplique.

Tensión:  situación de un cuerpo que se encuentra sometido a fuerzas opuestas que ejercen atracción sobre él.

Viscosímetro: implemento empleado para medir la viscosidad de un fluido. 2.3. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA 2.3.1. VISCOSIDAD: La viscosidad expresa la facilidad que tiene un fluido para circular cuando se le aplica una fuerza externa. El coeficiente de viscosidad absoluta, o simplemente la viscosidad absoluta de un fluido, es una medida de su resistencia al deslizamiento o a sufrir deformaciones internas.

2.3.1.1. Viscosidad absoluta o dinámica: La unidad de viscosidad dinámica en el sistema internacional (SI) es el pascal

∙

∙

segundo (Pa s) o también newton segundo por metro cuadrado (N s/m2), o sea kilogramo por metro segundo (kg/ms).

2.3.1.2. Viscosidad cinemática:  Es el cociente entre la viscosidad dinámica y la densidad. En el sistema 4

 

internacional (SI) la unidad de viscosidad cinemática es el metro cuadrado por segundo (m2/s). La unidad CGS correspondiente es el stoke (St), con dimensiones de centímetro cuadrado por segundo y el centistoke (cSt).

2.3.1.3. Medida de la viscosidad:  La medida de la viscosidad absoluta de los fluidos (especialmente de gases y vapores) requiere de instrumental adecuado y de una considerable habilidad experimental. Por otro lado, se puede utilizar un instrumento muy simple, como es un viscosímetro de tubo, para medir la viscosidad cinemática de los aceites y otros líquidos viscosos. Con este tipo de instrumentos se determina el tiempo que necesita un volumen  pequeño de líquido para fluir por un orificio y la medida me dida de la viscosidad cinemática se expresa en términos de segundos.

de la vi vi sco scosi sid dad ad..  G r áf i co 1: M edi da de

 Fuente: (Ramos, s.f.)  s.f.) 

2.3.2. FLUIDOS NEWTONIANOS: Se denominan fluidos newtonianos a aquellos fluidos donde el esfuerzo cortante es directamente proporcional a la rapidez de deformación. Son la mayor parte de fluidos comunes, como el agua, el aire y la gasolina son prácticamente newtonianos en condiciones normales. En 1687 Isaac Newton estableció la primera relación constitutiva para un fluido viscoso diciendo que para estos fluidos el esfuerzo de corte aplicado y la deformación producida son proporcionales, es decir, a mayor esfuerzo; mayor deformación, en otras palabras, el esfuerzo de corte y el cambio de la velocidad en el fluido son proporcionales (PérezTrejo, Méndez Sánchez, & Paniagua Mercado, 2010). 5

 

Gráfico 2: Viscosidad aparente vs. Velocidad de deformación angular. 

s.f.)   Fuente: (Chávez, s.f.) 

2.3.2.1. Fluidos newtonianos- fórmulas:  Para fluidos newtonianos se tiene una fórmula principal: Gráfico 3: fórmula fluidos newtonianos.

 Fuente: (Chumpitáz, 2012)  2012) 

En esta fórmula se determina que:

 



Representa “la tensión tangencial ejercida en un punto del fluido o sobre una superficie sólida en contacto con el mismo.” (Chumpitáz, 2012),

 



las unidades son de tensión o presión (Pa).

k=µ,, donde µ representa la viscosidad de un fluido “y para un fluido newtoniano   k=µ



depende sólo de la temperatura.” (Chumpitáz, 2012), esta se mide en [Pa.s].

6

 

 



, esto representa “el gradiente de velocidad perpendicular a la dirección al  plano en el que estamos calculando la tensión tangencial, [s1].” (Chumpitáz, 2012).

Existen otras fórmulas utilizadas en los fluidos newtonianos: Gráfico 4: fórmulas fluidos newtonianos. 

 Fuente: (Chumpitáz, 2012)  2012) 

2.3.2.2. Fluidos no Newtonianos:  Un fluido no newtoniano es aquel cuya viscosidad (resistencia a fluir) varía con el gradiente de tensión que se le aplica, es decir, se deforma en la dirección de la fuerza aplicada. Como resultado, un fluido no-newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano. Según (starviewerteam, fluidos no newtonianos, //starviewerteam.com): “La resistencia derivada de la falta de deslizamiento de las partes de un líquido es proporcional a la velocidad con que se separan unas de otras dentro de él”. Esta necesidad de deslizamiento es lo que ahora se denomina “Viscosidad”, sinónimo de fricción interna.  interna.   En general, los factores variables son la densidad, viscosidad y el peso molecular, y en los casos analizados, las modificaciones dependen de la interacción de campos de fuerza, presión o acción física de aceleración e impulso. Gráfico 5: Tipo no newtoniano (c, d y e). 7

 

2009)   Fuente: (Arias, Andaverde, Santoyo, & Urquiza, 2009) 

3.  PROCEDIMIENTO  Para realizar el fluido fl uido no newtoniano: 1.  En un tazón de plástico colocar la maicena y el agua de manera que logremos conseguir la consistencia del fluido no newtoniano. 2.  Con la ayuda de un embudo trasladar el fluido a 6 bolsas ziploc de 17x25 cm. Para realizar el casco: 1.  Inflar un globo hasta obtener la medida deseada (esto servirá como base del casco). 2.  Realizar una mezcla de agua con pegamento (una parte de agua y una de  pegamento). 3.  Trocear el papel de cocina y el papel periódico. 4.  Con ayuda de una brocha, untar en el globo la mezcla de pegamento y agua; y  pegar los trozos de papel de cocina y papel periódico. 5.  Realizar el proceso anterior cuatro veces más, alternando una capa de papel de cocina y una de papel periódico (dejar secar entre capa y capa). 6.  Una vez seco, reventar el globo. Al momento de reventar el globo obtendremos una superficie dura que será la base del caso. 7.  Colocar tiras de cartón en la parte interna del casco para que este tenga más soporte. 8

 

8.  Pintar el casco con pintura en spray. 9.  Forrar el casco con plástico para que el momento que se coloquen las bolsas con el fluido puedan adherirse de mejor manera. 10. Colocar las bolsas ziploc en la parte externa del casco de manera que quede cubierta toda la superficie. 11. Cubrir la superficie del casco con foami. 12. Colocar tiras de esponja en la parte interna, (las esponjas servirán para crear una capa acolchonada que sea cómoda para el usuario). 13. Colocar cintas con un broche en los laterales del casco.

4. VINCULACIÓN CON OTROS SABERES 4.1 Física Al relacionar el proyecto integrador de saberes con la materia de física es indispensable entender a Sir Isaac Newton, quien estableció las leyes elementales de la mecánica clásica; él fue pionero de la mecánica de fluidos, una de las ramas de la Física, estableciendo una ley sobre la viscosidad; cuya ley tiene como tema, la resistencia de un fluido a fluir. En dicha ley de la viscosidad, Newton establece que cuando se mueve un fluido, en forma “laminar”, existe una relación directamente directamente proporcional entre los esfuerzos o tensiones aplicadas y los gradientes (aumentos, disminuciones) de la velocidad del flujo, siendo la constante de proporcionalidad una propiedad física del fluido llamada viscosidad (García, 1995).

Tomando en cuenta estas leyes encontramos a los fluidos Newtonianos con una viscosidad constante. Siendo la viscosidad; según Raymond Chang “Una medida de la resistencia de los líquidos a fluir”, es decir la medida de la resistencia a la deformación que presentan los fluidos al aplicarles un esfuerzo (Chang, 2010). Entre estos fluidos están el agua, la gasolina, y el vino. Estos fluidos mantienen su viscosidad durante el tiempo sin importar su entorno, sin embargo, el único cambio en su viscosidad, se obtiene al agregar calor o frio a la sustancia, así haciendo que varié su viscosidad, disminuyéndola o aumentándola.

9

 

En cambio, un fluido no Newtoniano es aquel cuya viscosidad o resistencia a fluir varía según la fuerza que se le es aplicada. En consecuencia, un fluido no Newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido Newtoniano.

4.2 Resultados físicos Energía de impacto (Energía cinética) considerando un sistema ideal en donde la (Energía potencial gravitatoria) sea igual a la de impacto, por la l a misma razón es un cálculo aproximado al presentar resistencia por parte del aire la cual aumenta directamente proporcional a la velocidad que alcanza la partícula Con el dato de la energía potencial inicial, que planteamos

 =  ∙∙ ∙ℎ∙ ℎ  y la relacionamos

1 = 2  y estableciendo el descarte de la resistencia del aire, mantendríamos la igualdad  =  , de la que sacamos la velocidad aproximada que   alcanzara el cuerpo  =  ∙    

con la siguiente ecuación

experimentación).   Gráfico 6: (Resultados experimentación). Altura

Masa1 0.25(kg)

Masa

2

Velocidad 1

Velocidad 2

0.5(kg)

1(m)

2.4525(J)

4.905(J)

4.4294 (m/s)

4.4294(m/s)

2(m)

4.905(J)

9.81(J)

6.2641(m/s)

6.2641(m/s)

3(m)

7.3575(J)

14.715(J)

7.6720(m/s)

7.6720(m/s)

Personal rsonal (Damián Quishpe)   Fuente: Pe

Otro método de prueba para el casco fue, someterlo someter lo al golpe de una pistola de “paintball” en donde se implementó un péndulo balístico para la determinación de la velocidad alcanzada por la bala en el momento de impacto

   =   √ 

M: masa de la madera más la bala m: masa de la bala de “paintball”

 =

 0.0555443 kg2(9.81 )(0.075)

 

0.0005443kg 10

 

 0.0555443 kg 1.1.4715   = 0.0005443kg    )  (0. 0 555443 kg) (1. 2 13053997  =   0.0005443kg  ∙   )  (0. 0 67378235  = 0.0005443kg      = 123.7887 

Energía de impacto 2 (Energía cinética)

Con el dato de la velocidad de la bala, que ya hemos encontrado, podemos calcular la energía de impacto que recibió el fluido flui do no Newtoniano. La calculamos mediante la

  =   ∙  

fórmula:

 ) 123. 7 887  (0. 0 005443 kg)(  =   2 

 = 8.340669796 40669796 2 ∙    = 4.1706(J)  CONCLUSIONES   El fluido no newtoniano reaccionó de manera positiva a las diferentes pruebas en



las que se evidenció que en el casco cas co estas se aprovechan al máximo.  

  Se encontró que la resistencia del casco es bastante aceptable de acuerdo a las



 pruebas antes realizadas.

11

 

  El peso del casco no fue el esperado, sin embargo, es aceptable en comparación



con el peso y el valor de otros cascos, es por eso que sería una buena opción emplearlos en la construcción y en algunos deportes.

  El costo comparado a otros cascos es mucho menor y además se puede



 personalizar el diseño del casco si es que se lo fabrica por cuenta propia.

ibliografía Arias, E., Andaverde, J., Santoyo, E., & Urquiza, G. (2009). Determinación de la viscosidad y su incertidumbre en fluidos de perforación usados en construcción de pozos geotérmicos.  Obtenido de http://www.scielo.org.mx/pdf/rmcg/v26n2/v26n2a18.pdf Burns, R. A. (2011). Fundamentos de Quimica . Mexico DF: PEARSON. Chagoya, E. R. (1 de Julio de 2008). Métodos y técnicas de investigación. Obtenido de http://www.gestiopolis.com/metodos-y-tecnicas-de-investigacion/ Chávez, E. R. (s.f.). I Introducción a la mecánica de fluidos. Obtenido de http://erivera2001.com/files/Introduccion.pdf Chumpitáz, M. (23 de julio de 2012). Fluidos Newtonianos y No Newtonianos. Obtenido de https://es.scribd.com/doc/100835966/Fluidos-Newtonianos-y-No-Newtonianos Fausto, I. G. (2012). Física Básica . Ecuador-Quito: Pearson. Ramos, M. (s.f.). Fluidos: Generalidades y definiciones. Obtenido de http://campusvirtual.edu.uy/archivos/mecanicageneral/MATERIAL%20BIBLIOGRAFICO%20TECNICO%20PARA%20APOYO%20DOCENTE /Material%20Didactico/mecanica%20de%20los%20fluidos%202.pdf

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ANEXOS  Anexo N o1

 Anexo N o3

 Anexo N o2

 Anexo N o4

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 Anexo N o5

 Anexo N o6

 Anexo N o7

 Anexo N o8  Anexo N o9

 Anexo N o10

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 Anexo N o11

 

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 Anexo N o12

Anexo N o13

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