HIDR ABOT PROTOTIPO DE BRAZO HIDRAHULICO INSTITUTO TECNOLOGICO DE OAXACA
FRANDIZ
LOPEZ
KARLA NEREIDA.
GALAN FIGUEROA DIANA
ING. GESTION EMPRESARIAL
FUNDAMENTOS DE FISICA
PAOLA.
HERNANDEZ LOPEZ HUGO.
JULIAN
PEREZ
ANDREA ABIGAIL.. ABIGAIL
17/JUNIO/2014
LOPEZ HERRERA DULCE PATRICIA.
2014
PARTE I
PARTE I
INDICE PARTE I I .............................................................................................................................................. 2 1.1 INDICE ............................................................................................................................................ 3 1.2 INTRODUCCION ............................................................................................................................. 5 1.3 OBJETIVO. ...................................................................................................................................... 6 1.4 PLANTEAMIENTO ........................................................................................................................... 7 1.5 JUSTIFICACIÓN: ............................................................................................................................. 8 PARTE II II ............................................................................................................................................. 9 2 MARCO TEÓRICO ............................................................................................................................ 10 2.1 MECANICA DE FLUIDOS. .............................................................................................................. 10 2.2 FLUIDOS. ...................................................................................................................................... 10 2.3 HIDROSTATICA. ............................................................................................................................ 11 2.3.1 PRINCIPIO DE PASCAL................... PASCAL................................. ............................ ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ .................. .... 12 2.3.2 PRESION HIDROSTÁTICA. HIDROSTÁTICA. ........................... ......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ .................. .... 12 2.3.3 DENSIDAD DE FLUIDOS. ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. .................... ...... 13 2.4 PISTONES. .................................................................................................................................... 15 2.4.1 TRANSMISION TRANSMISION DE POTENCIA. ........................ ...................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ .. 16 2.5 PALANCAS. ................................................................................................................................... 16 2.5.1 ¿QUÉ ES UNA PALANCA? .......................... ........................................ ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. .................... ...... 17 2.5.2 ¿CUÁNTOS TIPOS DE PALANCA HAY?...................................... HAY?.................................................... ............................ ............................ ............................ ................ .. 18 2.5.3 APLICACIÓN DE LA PALANCA. ........................ ...................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 22 2.5.4 LEY DE LA PALANCA. ............................... ............................................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ....................... ......... 23 2.5.5 PRINCIPIO DE GALILEO GALILEI. ................... ................................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ .. 24
2.5.6 FUERZA DE EMPUJE Y PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES................ ARQUÍMEDES.............................. ............................ ............................ ............................ .............. 25 2.6 MOVIMIENTO. ............................................................................................................................... 26 2.6.1 EL MOVIMIENTO MOVIMIENTO ROTATORIO. ....................................... ..................................................... ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 27 2.6.2. MOVIMIENTO MOVIMIENTO CIRCULAR- ........................... ......................................... ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ .................. .... 28 2.7 FUERZA. ...................................................................................................................................... 30 2.7.2 TIPOS DE FUERZA. ........................... .......................................... ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ .. 31 2.7.3 FUERZAS DE CONTACTO Y FUERZAS A DISTANCIA............................. .......................................... ............................ ............................ ................ .. 32 2.7.4 FUERZAS INTERNAS Y DE CONTACTO........................... ......................................... ............................. ............................ ............................ ......................... ........... 32 2.7.5 FRICCIÓN............... FRICCIÓN............................. ............................. ............................. ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ................ .. 33 2.7.6 FUERZA GRAVITATORIA GRAVITATORIA ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. .................... ...... 33 2.7.7 FUERZA EN MECÁNICA RELATIVISTA RELATIVISTA ................................ .............................................. ............................ ............................ ............................ ....................... ......... 34 2.7.8 FUERZA GRAVITATORIA GRAVITATORIA ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................. ............................. .................... ...... 34 2.7.9 FUERZAS FUNDAMENTALES EN TEORÍA CUÁNTICA DE CAMPOS........................... .......................................... ....................... ........ 34 2.8 ENERGIA ....................................................................................................................................... 35 2.8.1 ENERGIA POTENCIAL................. POTENCIAL............................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ....................... ......... 35 2.8.2. ENERGIA CINETICA ............................ .......................................... ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ ............................ .............. 36 2.8.3 ENERGIA HIDRAULICA .......................... ........................................ ............................ ............................. ............................. ............................ ............................ ......................... ........... 37
PARTE III III .......................................................................................................................................... 38 3.1 PROCEDIMIENTO ......................................................................................................................... 39 3.2 MATERIALES Y PARTES ............................................................................................................... 41 3.3 CONCLUSIONES ........................................................................................................................... 42 COMENTARIOS .................................................................................................................................. 43 GALERIA DE FOTOS ........................................................................................................................... 45 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................................... 46
INTRODUCCION
Este proyecto está dividido en tres partes. Parte I. planteamos el problema, describimos el objetivo y justificamos porque decidimos realizar el prototipo de un brazo hidráulico. Parte II. Se basa en el principio de Pascal, el cual dice que: “Una presión externa aplicada a un fluido confinado se transmite uniformemente a través del volumen del líquido”. Desarrollamos los temas relacionados con el proyecto. Parte III. El proyecto consiste en una representación sencilla de un brazo mecánico que sirve para levantar objetos a distancia, si la comparamos con una maquina como una grúa, podemos apreciar su utilidad. Para realizar el proyecto, utilizamos principalmente jeringas y las mangueras, para aprovechar la fuerza que estas pequeñas prensas hidráulicas proporcionan y así darle movimiento a lo que más tarde conformará el brazo hidráulico.
OBJETIVO. Nuestro objetivo de crear este brazo hidráulico es para poder demostrar las propiedades de la mecánica de fluidos. Demostrando de igual forma cómo es que el agua es un gran componente con el cual podemos mover ciertas piezas.
PLANTEAMIENTO
Un brazo hidráulico es un estructura mecánica que en su estructura se asemeja a un brazo humano, tres partes unidas entre sí y que se pueden mover independiente mente una de la otra y dichos movimientos son realizados por aumento o disminución de la presión ejercida por un medio líquido y mediante este proyecto se pretende demostrar que la fuerza y presión puede originar movimientos, demostrando dinámicamente algunos principios elementales, dando origen al brazo hidráulico que permite la simplificación del trabajo del hombre con un menor esfuerzo y menor tiempo
JUSTIFICACIÓN: La importancia del proyecto radica en que, a través de la realización de un brazo hidráulico fundamentado en el principio de Pascal, podemos exponer la importancia de los principios de la Mecánica de Fluidos en el desarrollo de tecnologías requeridas en el presente.
PARTE II
MARCO TEÓRICO
2.1 MECANICA DE FLUIDOS. CONCEPTO
La mecánica de fluidos es una rama de la mecánica de los medios continuos, y esta a su vez es una rama de la física que estudia el movimiento de los fluidos y las fuerzas que los provocan; los fluidos se dividen en Gases y líquidos, estos tienen una característica similar y es que son incapaces de resistir esfuerzos cortantes, y esto provoca que no tengan una forma definida. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, la ingeniería química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía. Como se muestra en la siguiente imagen:
Ilustración 1. Mecánica de fluidos.
2.2 FLUIDOS. CONCEPTO:
Es la parte de la física que estudia la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, tanto como sus aplicaciones y mecanismos que se aplican en los
fluidos. Es la parte de la mecánica que estudia el comportamiento de los fluidos en equilibrio (Hidrostática) y en movimiento (Hidrodinámica). Esta es una ciencia básica de la Ingeniería la cual tomó sus principios de las Leyes de Newton y estudia la estática, la cinemática y la dinámica de los fluidos. Se clasifica en: - Estática: De los líquidos llamada Hidrostática. De los gases llamada Aerostática. - Cinemática: De los líquidos llamada Hidrodinámica. De los gases llamada Aerodinámica.
2.3 HIDROSTATICA. La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos o de la hidráulica, que estudia los fluidos en estado de equilibrio, es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición. Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de Pascal y el principio de Arquímedes.
La presión (P) se relaciona con la fuerza (F) y el área o superficie (A) de la siguiente forma: P=F/A. La ecuación básica de la hidrostática es la siguiente:
Ecuación 1
Siendo: P : presión P o: presión superficial ρ:
densidad del fluido
g : intensidad gravitatoria de la Tierra h: altura neta
2.3.1 PRINCIPIO DE PASCAL. En física, el principio de Pascal o ley de Pascal, es una ley enunciada por el físico y matemático francés Blaise Pascal (1623- 1662) que se resume en la frase: “el incremento de presión aplicado a una superficie de un fluido incompresible (líquido), contenido en un recipiente indeformable, se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo”. Es decir que si en el interior de un líquido se
origina una presión, estas se transmiten con igual intensidad en todas direcciones y sentidos. En el sistema internacional, la unidad de presión es 1 Pascal (Pa.), que se define como la fuerza ejercida por 1 newton sobre la superficie de 1 metro cuadrado. Se cree que el principio de pascal es una consecuencia de la ecuación fundamental de la hidrostática y de la complejidad de los líquidos. Y se puede representar en la siguiente ecuación:
Ecuación 2
P, presión total a la profundidad de la altura H Po, presión sobre la superficie libre del fluido. D, densidad. G, gravedad El principio de pascal se ve más reflejado en la prensa hidráulica ya que permite levantar pesos por medio de la amplificación de la intensidad de la fuerza. De esta forma este método es muy aplicado en la industria moderna.
2.3.2 PRESION HIDROSTÁTICA. Un fluido pesa y ejerce presión sobre las paredes, sobre el fondo del recipiente que lo contiene y sobre la superficie de cualquier objeto sumergido en él. Esta presión, llamada presión hidrostática, provoca, en fluidos en reposo, una fuerza
perpendicular a las paredes del recipiente o a la superficie del objeto sumergido sin importar la orientación que adopten las caras. Si el líquido fluyera, las fuerzas resultantes de las presiones ya no serían necesariamente perpendiculares a las superficies. Esta presión depende de la densidad del líquido en cuestión. Como se muestra en la siguiente imagen:
Ilustración 2. Balance de fuerzas en un pistón sin fricción.
Ecuación 3
2.3.3 DENSIDAD DE FLUIDOS. La densidad de una sustancia se define como el cociente de su masa entre el volumen que ocupa. La unidad de medida en el S.I. de Unidades es kg/m3, también se utiliza la unidad g/cm3.
Tabla 1
SUSTANCIA
DENSIDAD EN Kg/m3
Aceite
920
Acero
7850
Agua
1000
Aire
1,3
Alcohol
780
Aluminio
2700
Caucho
950
Cobre
8960
Cuerpo Humano
950
Gasolina
680
Helio
0,18
Madera
900
Mercurio
13580
Sangre
1480-1600
Tierra (Planeta)
5515
Vidrio
2500
2.4 PISTONES. Un pistón es un embolo que se ajusta al interior de un cilindro, mediante aros flexibles llamados segmentos. Cuando se mueve, obliga al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presión y volumen o transforma en movimiento el cambio de presión y volumen de fluido. En todas las aplicaciones en que se emplea, el pistón recibe o transmite fuerzas en forma de presión de un líquido o un gas.
El pistón está definido por las siguientes dimensiones fundamentales: D =diámetro; L = longitud total; B = cota de compresión; D = diámetro del bulón.
Ilustración 3. El pistón es un embolo que se ajusta al interior de un cilindro
2.4.1 TRANSMISION DE POTENCIA. Una fuerza mecánica, trabajo o potencia es aplicada en el pistón A. La presión interna desarrollada en el fluido por su la densidad ejerciendo una fuerza de empuje en el pistón B. Según la ley de Pascal la presión desarrollada en el fluido es igual en todos los puntos por la que la fuerza desarrollada en el pistón B es igual a la fuerza ejercida en el fluido por el pistón A, asumiendo que los diámetros de A y B son iguales y sin importar el ancho o largo de la distancia entre los pistones, es decir por donde transitará el fluido desde el pistón A hasta llegar al pistón B.
2.5 PALANCAS. La palanca es una máquina simple que se emplea en una gran variedad de aplicaciones. Probablemente, incluso, las palancas sean uno de los primeros mecanismos ingeniados para multiplicar fuerzas. Es cosa de imaginarse el colocar una gran roca como puerta a una caverna o al revés, sacar grandes rocas para habilitar una caverna. Con una buena palanca es posible mover los más grandes pesos y también aquellos que por ser tan pequeños también representan dificultad para tratarlos. Se cuenta que el propio Arquímedes, en sus estudios sobre las palancas, habría dicho: "Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo". En realidad, obtenido ese punto de apoyo y usando una palanca suficientemente larga, eso es posible. En nuestro diario vivir son muchas las veces que “estamos haciendo palanca”. Desde mover un dedo o un brazo o un pie hasta tomar la cuchara para beber la sopa involucra el hacer palanca de una u otra forma. Ni hablar de cosas más evidentes como jugar al balancín, hacer funcionar una balanza, usar un cortaúñas, una tijera, un diablito (sacaclavos), etc. Casi siempre que se pregunta respecto a la utilidad de una palanca, la respuesta va por el lado de que “sirve para multiplicar una fuerza”, y eso es cierto pero
prevalece el sentido que multiplicar es aumentar, y no es así siempre, a veces el multiplicar es disminuir (piénsese en multiplicar por un número decimal, por ejemplo).
2.5.1 ¿QUÉ ES UNA PALANCA? Básicamente está constituida por una barra rígida, un punto de apoyo (se le puede llamar “fulcro”) y dos fuerzas (mínimo) presentes: una fuerza (o resistencia) a la que hay que vencer (normalmente es un peso a sostener o a levantar o a mover en general) y la fuerza (o potencia) que se aplica para realizar la acción que se menciona. La distancia que hay entre el punto de apoyo y el lugar donde está aplicada cada fuerza, en la barra rígida, se denomina brazo. Así, a cada fuerza le corresponde un cierto brazo. Como se muestra en la siguiente figura.
Ilustración 4. Clases de palanca.
Como en casi todos los casos de máquinas simples, con la palanca se trata de vencer una resistencia, situada en un extremo de la barra, aplicando una fuerza de valor más pequeño que se denomina potencia, en el otro extremo de la barra. En una palanca podemos distinguir entonces los siguientes elementos: El punto de apoyo o fulcro. Potencia: la fuerza (esfuerzo) que se ha de aplicar. Resistencia: el peso (carga) que se ha de mover. Como se puede observar en la siguiente figura.
Ilustración 5. Brazo de potencia - brazo de resistencia.
El brazo de potencia (b2): es la distancia entre el fulcro y el punto de la barra donde se aplica la potencia. El brazo de resistencia (b 1): es la distancia entre el fulcro y el punto de la barra donde se encuentra la resistencia o carga.
2.5.2 ¿CUÁNTOS TIPOS DE PALANCA HAY?
ILUSTRACIÓN 6. LA UBICACIÓN DEL FULCRO RESPECTO A LA CARGA Y A LA POTENCIA O ESFUERZO, DEFINEN EL TIPO DE PALANCA.
Según lo visto en la figura y lo definido en el cuadro superior, hay tres tipos de palancas: Palanca de primer tipo o primera clase o primer grupo o primer género: Se caracteriza por tener el fulcro entre la fuerza a vencer y la fuerza a aplicar.
ILUSTRACIÓN 7. PALANCA DE PRIMERA CLASE.
Esta palanca amplifica la fuerza que se aplica; es decir, consigue fuerzas más grandes a partir de otras más pequeñas. Por ello, con este tipo de palancas pueden moverse grandes pesos, basta que el brazo b1 sea más pequeño que el brazo b2. Algunos ejemplos de este tipo de palanca son: los alicates, la balanza, la tijera, las tenazas y el balancín. Como se muestra en la siguiente imagen:
ILUSTRACIÓN 8. PALANCAS DE PRIMERA CLASE
Algo que desde ya debe destacarse es que al accionar una palanca se producirá un movimiento rotatorio respecto al fulcro, que en ese caso sería el eje de rotación. Palanca de segundo tipo o segunda clase o segundo grupo o segundo género: Se caracteriza porque la fuerza a vencer se encuentra entre el fulcro y la fuerza a aplicar.
ILUSTRACIÓN 9. PALANCA DE SEGUNDA CLASE.
Este tipo de palanca también es bastante común, se tiene en los siguientes casos: carretilla, destapador de botellas, rompenueces. También se observa, como en el caso anterior, que el uso de esta palanca involucra un movimiento rotatorio respecto al fulcro que nuevamente pasa a llamarse eje de rotación. Como se muestra en la siguiente imagen:
ILUSTRACIÓN 10. PALANCAS DE SEGUNDA CLASE.
Palanca de tercer tipo o tercera clase o tercer grupo: Se caracteriza por ejercerse la fuerza “a aplicar” entre el fulcro y la fuerza a
vencer. Como se muestra en la siguiente imagen:
ILUSTRACIÓN 11. PALANCA DE TERCERA CLASE.
Parece difícil de encontrar como ejemplo concreto este tipo de palanca, sin embargo… el brazo humano es un buen ejemplo de este caso, y cual quier articulación es de este tipo, también otro ejemplo lo tenemos al levantar una cuchara con sopa o el tenedor con los tallarines, una corchetera funciona también aplicando una palanca de este tipo. Como se muestra en la siguiente imagen:
ILUSTRACIÓN 12. PALANCAS DE TERCERA CLASE.
Este tipo de palanca es ideal para situaciones de precisión, donde la fuerza aplicada suele ser mayor que la fuerza a vencer. Y, nuevamente, su uso involucra un movimiento rotatorio. Hemos visto los tres tipos de palancas, unos se usan más que otros, pero los empleamos muy a menudo, a veces sin siquiera darnos cuenta, y sin pensar en el tipo de palanca que son cuando queremos aplicar su funcionamiento en algo específico. En algunas ocasiones, ciertos artefactos usan palancas de más de un tipo en su funcionamiento, son las palancas múltiples. Palancas múltiples: Varias palancas combinadas.
Por ejemplo: el cortaúñas es una combinación de dos palancas, el mango es una combinación de 2º género que presiona las hojas de corte hasta unirlas. Las hojas de corte no son otra cosa que las bocas o extremos de una pinza y, constituyen, por tanto, una palanca de tercer género. Como se muestra en la siguiente imagen:
ILUSTRACIÓN 13. COMBINACIÓN DE PALANCAS O PALANCAS MÚLTIPLES.
Otro tipo de palancas múltiples se tiene en el caso de una máquina retroexcavadora, que tiene movimientos giratorios (un tipo de palanca), de ascenso y descenso (otra palanca) y de avanzar o retroceder (otra palanca). 2.5.3 APLICACIÓN DE LA PALANCA. Las palancas tienen cientos de aplicaciones. Su función es amplificar una potencia para así vencer más fácilmente una resistencia. Toda palanca utiliza un punto de apoyo llamado fulcro. Ejemplos de aplicaciones de Palancas: *En los remos. *En un cascanueces. *En unas tijeras. *En unas pinzas de depilar. *En una carretilla. Puede utilizarse para amplificar la fuerza mecánica que se aplique aun objeto, para incrementar su velocidad o incrementar la distancia recorrida, en respuesta a la aplicación de una fuerza.
Algunos ejemplos de palancas de primer género son el balancín, las tijeras, las tenazas, los alicates o la catapulta. En el cuerpo humano se encuentran varios ejemplos de palancas de primer género, como el conjunto tríceps braquial - codo antebrazo. Las palancas de segundo género sirven para cargar objetos pesados como las carretillas de obra. Levantando los brazos con un ligero esfuerzo se puede levantar una carga pesada. Los remos también son un ejemplo de palanca de segundo género. Una aplicación de una palanca de tercer género se ve en el uso de quita grapas, la pinza de cejas y el uso de un martillo la muñeca actúa como punto de apoyo, la mano aporta la potencia para acelerar la cabeza del martillo y la resistencia es la dureza de la madera. La cabeza del martillo se mueve más rápido que la mano para golpear el clavo.
FUERZAS ACTUANTES Sobre la barra rígida de una palanca actúan tres fuerzas: La potencia p: Es la fuerza que aplicamos voluntariamente con el fin de obtener un resultado. La resistencia R: Es la fuerza que vencemos , ejercida sobre la palanca por el cuerpo a mover . La fuerza de apoyo : Es la ejercida por el fulcro sobre la palanca . Brazo de potencia : BP: La distancia entre el punto de aplicación de la fuerza de potencia y el punto de apoyo . Brazo de resistencia BR: Distancia entre la fuerza de resistencia y el punto de apoyo.
2.5.4 LEY DE LA PALANCA. En física , la ley que relaciona las fuerzas de una palanca en equilibrio se expresa mediante la ecuación :
ECUACIÓN 3. LEY DE LAS PALANCAS (PASCAL).
Potencia por su brazo = Resistencia por su brazo. Siendo la p la potencia , R la resistencia , y BPy BR las distancias medidas desde el fulcro hasta los puntos de aplicación de P y R respectivamente , llamadas brazo de potencia y brazo de resistencia . 2.5.5 PRINCIPIO DE GALILEO GALILEI. Se cuenta que el propio Galileo Galilei habría dicho: "Dadme un punto de apoyo y moveré el mundo". En realidad, obtenido ese punto de apoyo y usando una palanca suficientemente larga, eso es posible. En nuestro diario vivir son muchas las veces que “estamos haciendo palanca”. Desde mover un dedo o un brazo o un
pie hasta tomar la cuchara para beber la sopa involucra el hacer palanca de una u otra forma. Ni hablar de cosas más evidentes como jugar al balancín, hacer funcionar una balanza, usar un cortaúñas, una tijera, un sacaclavos, etc. Casi siempre que se pregunta respecto a la utilidad de una palanca, la respuesta va por el lado de que “sirve para multiplicar una fuerza”, y eso es cierto pero prevalece el
sentido que multiplicar es aumentar, y no es así siempre, a veces el multiplicar es disminuir al multiplicar por un número decimal por ejemplo. Como se ve en la siguiente figura.
ILUSTRACIÓN 14. PRINCIPIO DE GALILEO GALILEI.
2.5.6 FUERZA DE EMPUJE Y PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES. Cuando se sumerge un cuerpo en un líquido parece que pesara menos. Lo podemos sentir cuando nos sumergimos en una piscina, o cuando tomamos algo por debajo del agua, los objetos parecieran que pesan menos. Esto es debido a que, todo cuerpo sumergido recibe una fuerza de abajo hacia arriba. Cuando en un vaso lleno de agua sumergimos un objeto, podemos ver que el nivel del líquido sube y se derrama cierta cantidad de líquido. Se puede decir que un cuerpo que flota desplaza parte del agua. Como se observa en la siguiente figura.
ILUSTRACIÓN 15. EL LÍQUIDO EJERCE FUERZA HACIA ARRIBA.
Arquímedes, quien era un notable matemático y científico griego, se percató de estas conclusiones mientras se bañaba en una tina, al comprobar cómo el agua se desbordaba y se derramaba, y postuló la siguiente ley que lleva su nombre: Principio de Arquímedes Todo cuerpo sumergido en un líquido recibe un empuje, de abajo hacia arriba, igual al peso del líquido desalojado. Cuerpos sumergidos Sobre un cuerpo sumergido actúan dos fuerzas; su peso, que es vertical y hacia abajo y el empuje que es vertical pero hacia arriba. Si queremos saber si un cuerpo flota es necesario conocer su peso específico, que es igual a su peso dividido por su volumen. Entonces, se pueden producir tres casos: 1. si el peso es mayor que el empuje (P > E), el cuerpo se hunde. Es decir, el peso específico del cuerpo es mayor al del líquido. 2. si el peso es igual que el empuje (P = E), el cuerpo no se hunde ni emerge. El peso específico del cuerpo es igual al del líquido.
3. Si el peso es menor que el empuje (P
ILUSTRACIÓN 16. CUERPOS SUMERGIDOS: TRES CASOS.
Ejemplo, con un caso práctico como se muestra en la siguiente imagen:
ILUSTRACIÓN 17. ¿POR QUÉ LOS BARCOS NO SE HUNDEN?
Los barcos no se hunden porque su peso específico es menor al peso específico del agua, por lo que se produce un empuje mayor que mantiene el barco a flote. Esto a pesar de que el hierro o acero con que están hechos generalmente los barcos es de peso específico mayor al del agua y se hunde (un pedazo de hierro en el agua se va al fondo), pero si consideramos todas las partes del barco incluyendo los compartimientos vacíos, el peso específico general del barco disminuye y es menor al del agua, lo que hace que éste se mantenga a flote.
2.6 MOVIMIENTO. El movimiento es un cambio de la posición de un cuerpo a lo largo del tiempo respecto de un sistema de referencia. El estudio del movimiento se puede realizar a través de la cinemática o a través de la dinámica. En función de la elección del sistema de referencia quedaran
definidas las ecuaciones del movimiento, ecuaciones que determinarán la posición, la velocidad y la aceleración del cuerpo en cada instante de tiempo. Todo movimiento puede representarse y estudiarse mediante gráficas. Las más habituales son las que representan el espacio, la velocidad o la aceleración en función del tiempo. El movimiento se refiere al cambio de ubicación en el espacio a lo largo del tiempo, tal como es medido por un observador físico. Un poco más generalmente el cambio de ubicación puede verse influido por las propiedades internas de un cuerpo o sistema físico, o incluso el estudio del movimiento en toda su generalidad lleva a considerar el cambio de dicho estado físico. Como se ve en la siguiente imagen.
ILUSTRACIÓN 18. MOVIMIENTO
2.6.1 EL MOVIMIENTO ROTATORIO. Es el que se basa en un eje de giro y radio constante: la trayectoria será una circunferencia. Si, además, la velocidad de giro es constante, se produce el movimiento circular uniforme, que es un caso particular de movimiento circular, con radio fijo y velocidad angular constante. En el movimiento circular hay que tener en cuenta algunos conceptos específicos para este tipo de movimiento:
-
Eje de giro: es la línea alrededor de la cual se realiza la rotación, este eje puede permanecer fijo o variar con el tiempo, pero para cada instante de tiempo, es el eje de la rotación.
-
Arco: partiendo de un eje de giro, es el ángulo o arco de radio unitario con el que se mide el desplazamiento angular. Su unidad es el radián. Velocidad angular: es la variación de desplazamiento angular por unidad de tiempo. Aceleración angular: es la variación de la velocidad angular por unidad de tiempo. En dinámica del movimiento giratorio se tienen en cuenta además: Momento de inercia: es una cualidad de los cuerpos que resulta de multiplicar una porción de masa por la distancia que la separa al eje de giro.
Los Ejemplos se muestran en la siguiente imagen.
ILUSTRACIÓN 19. TIPOS DE MOVIMIENTO.
Movimiento de fuerza: Es la fuerza aplicada por la distancia al eje de giro.
2.6.2. MOVIMIENTO CIRCULAREl movimiento circular también llamado movimiento circunferencial es el que se basa en un eje de giro y radio constante, por lo cual la trayectoria es una circunferencia. Si además, la velocidad de giro es constante (giro ondulatorio),
se produce el movimiento circular uniforme, que es un caso particular de movimiento circular, con radio y centro fijos y velocidad angular constante. En el movimiento circular hay que tener en cuenta algunos conceptos que serían básicos para la descripción cinemática y dinámica del mismo:
Eje de giro: es la línea recta alrededor de la cual se realiza la rotación, este eje puede permanecer fijo o variar con el tiempo pero para cada instante concreto es el eje de la rotación (considerando en este caso una variación infinitesimal o diferencial de tiempo). El eje de giro define un punto llamado centro de giro de la trayectoria descrita (O). Arco: partiendo de un centro fijo o eje de giro fijo, es el espacio recorrido en la trayectoria circular o arco de radio unitario con el que se mide el desplazamiento angular. Su unidad es el radián (espacio recorrido dividido entre el radio de la trayectoria seguida, división de longitud entre longitud, adimensional por tanto). Velocidad angular: es la variación del desplazamiento angular por unidad de tiempo (omega minúscula, ). Aceleración angular: es la variación de la velocidad angular por unidad de tiempo (alfa minúscula, ).
En dinámica de los movimientos curvilíneos, circulares y/o giratorios se tienen en cuenta además las siguientes magnitudes:
Momento angular (L): es la magnitud que en el movimiento rectilíneo equivale al momento lineal o cantidad de movimiento pero aplicada al movimiento curvilíneo, circular y/o giratorio (producto vectorial de la cantidad de movimiento por el vector posición, desde el centro de giro al punto donde se encuentra la masa puntual). Momento de inercia (I): es una cualidad de los cuerpos que depende de su forma y de la distribución de su masa y que resulta de multiplicar una porción concreta de la masa por la distancia que la separa al eje de giro. Momento de fuerza (M): o par motor es la fuerza aplicada por la distancia al eje de giro (es el equivalente a la fuerza agente del movimiento que cambia el estado de un movimiento rectilíneo).
2.7 FUERZA.
En física, la fuerza es una magnitud vectorial que mide la intensidad del intercambio de momento lineal entre dos partículas o sistemas de partículas. Según una definición clásica, fuerza es todo agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los materiales. No debe confundirse con los conceptos de esfuerzo o de energía. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad de medida de fuerza es el newton que se representa con el símbolo: N , nombrada así en reconocimiento a Isaac Newton por su aportación a la física, especialmente a la mecánica clásica. El newton es una unidad derivada que se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 m/s² a un objeto de 1 kg de masa.
CONCEPTO El concepto de fuerza fue descrito originalmente por Arquímedes, si bien únicamente en términos estáticos. Arquímedes y otros creyeron que el " estado natural " de los objetos materiales en la esfera terrestre era el reposo y que los cuerpos tendían, por sí mismos, hacia ese estado si no se actuaba sobre ellos en modo alguno. De acuerdo con Aristóteles la perseverancia del movimiento requería siempre una causa eficiente (algo que parece concordar con la experiencia cotidiana, donde las fuerzas de fricción pueden pasar desapercibidas). Galileo Galilei (1564-1642) sería el primero en dar una definición dinámica de fuerza, opuesta a la de Arquímedes, estableciendo claramente la ley de la inercia, afirmando que un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza permanece en movimiento inalterado. Esta ley, que refuta la tesis de Arquímedes, aún hoy día no resulta obvio para la mayoría de las personas sin formación científica. Se considera que fue Isaac Newton el primero que formuló matemáticamente la moderna definición de fuerza, aunque también usó el término latino vis impresa ('fuerza impresa') y vis motrix para otros conceptos diferentes. Además, Isaac Newton postuló que las fuerzas gravitatorias variaban según la ley de la inversa del cuadrado de la distancia.
Charles Coulomb fue el primero que comprobó que la interacción entre cargas eléctricas o electrónicas puntuales también varía según la ley de la inversa del cuadrado de la distancia (1784). En 1798, Henry Cavendish logró medir experimentalmente la fuerza de atracción gravitatoria entre dos masas pequeñas utilizando una balanza de torsión. Gracias a lo cual pudo determinar el valor de la constante de la gravitación universal y, por tanto, pudo calcular la masa de la Tierra. Con el desarrollo de la electrodinámica cuántica, a mediados del siglo XX, se constató que la "fuerza" era una magnitud puramente macroscópica surgida de la conservación del momento lineal o cantidad de movimiento para partículas elementales. Por esa razón las llamadas fuerzas fundamentales suelen denominarse "interacciones fundamentales". 2.7.2 TIPOS DE FUERZA. FUERZA EN MECÁNICA NEWTONIANA. La fuerza se puede definir a partir de la derivada temporal del e como se ve en la siguiente ecuación.
ECUACIÓN 4
Si la masa permanece constante, se puede escribir:
Ecuación 5
Donde m es la masa y a la aceleración, que es la expresión tradicional de la segunda ley de Newton. En el caso de la estática, donde no existen
aceleraciones, las fuerzas actuantes pueden deducirse de consideraciones de equilibrio. La ecuación es útil sobre todo para describir el movimiento de partículas o cuerpos cuya forma no es relevante para el problema planteado. Pero incluso si se trata de estudiar la mecánica de sólidos rígidos se necesitan postulados adicionales para definir la velocidad angular del sólido, o su aceleración angular así como su relación con las fuerzas aplicadas. Para un sistema de referencia arbitrario la ecuación (*) debe substituirse por :1
Ecuación 6
2.7.3 FUERZAS DE CONTACTO Y FUERZAS A DISTANCIA. En un sentido estricto, todas las fuerzas naturales son fuerzas producidas a distancia como producto de la interacción entre cuerpos; sin embargo desde el punto de vista macroscópico, se acostumbra a dividir a las fuerzas en dos tipos generales:
Fuerzas de contacto, las que se dan como producto de la interacción de los
cuerpos en contacto directo; es decir, chocando sus superficies libres (como la fuerza normal). Fuerzas a distancia, como la fuerza gravitatoria o la coulómbica entre cargas, debido a la interacción entre campos(gravitatorio, eléctrico, etc.) y que se producen cuando los cuerpos están separados cierta distancia unos de los otros, por ejemplo: el peso.
2.7.4 FUERZAS INTERNAS Y DE CONTACTO. Representa la fuerza normal ejercida por el plano inclinado sobre el objeto situado sobre él. Dos cuerpos puestos en "contacto" experimentarán superficialmente fuerzas resultantes normales (o aproximadamente normales) a la superficie que impedirán el solapamiento de las nubes electrónicas de ambos cuerpos.
Las fuerzas internas son similares a las fuerzas de contacto entre ambos cuerpos y si bien tienen una forma más complicada, ya que no existe una superficie macroscópica a través de la cual se den la superficie. La complicación se traduce por ejemplo en que las fuerzas internas necesitan ser modelisadas mediante un tensor de tensiones en que la fuerza por unidad de superficie que experimenta un punto del interior depende de la dirección a lo largo de la cual se consideren las fuerzas. Lo anterior se refiere a sólidos, en los fluidos en reposo las fuerzas internas dependen esencialmente de la presión, y en los fluidos en movimiento también la viscosidad puede desempeñar un papel importante.
2.7.5 FRICCIÓN. La fricción en sólidos puede darse entre sus superficies libres en contacto. En el tratamiento de los problemas mediante mecánica newtoniana, la fricción entre sólidos frecuentemente se modeliza como una fuerza tangente sobre cualquiera de los planos del contacto entre sus superficies, de valor proporcional a la fuerza normal. El rozamiento entre sólido-líquido y en el interior de un líquido o un gas depende esencialmente de si el flujo se considera laminar o turbulento y de su ecuación constitutiva.
Ilustración 20. FRICCION
2.7.6 FUERZA GRAVITATORIA. En mecánica newtoniana la fuerza de atracción entre dos masas, cuyos centros de gravedad están lejos comparadas con las dimensiones del cuerpo,2 viene dada por la ley de la gravitación universal de Newton:
Cuando la masa de uno de los cuerpos es muy grande en comparación con la del otro (por ejemplo, si tiene dimensiones planetarias).
2.7.7 FUERZA EN MECÁNICA RELATIVISTA. En relatividad especial la fuerza se debe definir sólo como derivada del momento lineal, ya que en este caso la fuerza no resulta simplemente proporcional a la aceleración:
Ecuación 7
De hecho en general el vector de aceleración y el de fuerza ni siquiera serán paralelos, sólo en el movimiento circular uniforme y en cualquier movimiento rectilíneo serán paralelos el vector de fuerza y aceleración pero en general se el módulo de la fuerza dependerá tanto de la velocidad como de la aceleración. 2.7.8 FUERZA GRAVITATORIA . En la teoría de la relatividad general el campo gravitatorio no se trata como un campo de fuerzas real, sino como un efecto de la curvatura del espacio-tiempo. Una partícula másica que no sufre el efecto de ninguna otra interacción que la gravitatoria seguirá una trayectoria geodésica de mínima curvatura a través del espacio-tiempo.
2.7.9 FUERZAS FUNDAMENTALES EN TEORÍA CUÁNTICA DE CAMPOS. La teoría cuántica de campos trata de dar una descripción de las formas de interacción existentes entre las diferentes formas de materia o campos cuánticos existentes en el Universo. Así el término "fuerzas fundamentales" se refiere actualmente a los modos claramente diferenciados de interacción que conocemos.
Cuando se formuló la idea de fuerza fundamental se consideró que existían cuatro "fuerzas fundamentales": la gravitatoria, la electromagnética, la nuclear fuerte y la nuclear débil. La descripción de las "fuerzas fundamentales" tradicionales es la siguiente: 1. La gravitatoria es la fuerza de atracción que una masa ejerce sobre otra, y afecta a todos los cuerpos. La gravedad es una fuerza muy débil y de un sólo sentido, pero de alcance infinito. 2. La fuerza electromagnética afecta a los cuerpos eléctricamente cargados, y es la fuerza involucrada en las transformaciones físicas y químicas de átomos y moléculas. Es mucho más intensa que la fuerza gravitatoria, puede tener dos sentidos (atractivo y repulsivo) y su alcance es infinito. 3. La fuerza o interacción nuclear fuerte es la que mantiene unidos los componentes de los núcleos atómicos, y actúa indistintamente entre dos nucleones cualesquiera, protones o neutrones. Su alcance es del orden de las dimensiones nucleares, pero es más intensa que la fuerza electromagnética. 4. La fuerza o interacción nuclear débil es la responsable de la desintegración beta de los neutrones; los neutrinos son sensibles únicamente a este tipo de interacción (aparte de la gravitatoria) electromagnética y su alcance es aún menor que el de la interacción nuclear fuerte.
2.8 ENERGIA. En física se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía, «energía» se refiere a un recurso natural (incluyendo a su tecnología asociada) para extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico.
2.8.1 ENERGIA POTENCIAL. En un sistema físico, la energía potencial es energía que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su
posición o configuración. Puede pensarse como la energía almacenada en el sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. La energía potencial puede presentarse como energía potencial gravitatoria, energía potencial electrostática, y energía potencial elástica. Más rigurosamente, la energía potencial es una magnitud escalar asociada a un campo de fuerzas (o como en elasticidad un campo tensorial de tensiones). Cuando la energía potencial está asociada a un campo de fuerzas, la diferencia entre los valores del campo en dos puntos A y B es igual al trabajo realizado por la fuerza para cualquier recorrido entre B y A.
ILUSTRACIÓN 21
2.8.2. ENERGIA CINETICA. La energía cinética es la energía que posee un objeto debido a su movimiento, esta energía depende de la velocidad y masa del objeto según la ecuación E = 1mv2, donde m es la masa del objeto y v2 la velocidad del mismo elevada al cuadrado. La energía asociada a un objeto situado a determinada altura sobre una superficie se denomina energía potencial. Si se deja caer el objeto, la energía potencial se convierte en energía cinética. (Véase la imagen).
ILUSTRACIÓN 22
2.8.3 ENERGIA HIDRAULICA. La energía hidráulica o energía hídrica es aquella que se extrae del aprovechamiento de las energías (cinética y potencial) de la corriente de los ríos, saltos de agua y mareas, en algunos casos es un tipo de energía considerada “limpia” porque su impacto ambiental suele ser casi nulo y usa la fuerza hídrica sin representarla en otros es solo considerada renovable.
PARTE III
PROCEDIMIENTO. 1.- Cortar la madera en forma circular con un diámetro de 28.5 cm para que se la base de todo el proyecto, después se cortara el primer soporte del brazo con una medida de largo medirá 26.5cm y de ancho 9 cm., la cual será un rectángulo en forma curva a los extremos y más pequeña que la base circular.
2.-posteriormente se procederá a dibujar en la madera las partes restantes: La primera parte que será la altura de brazo que consta de 3 partes, el brazo mayor tiene una altura de 33cm en la base baja tiene 17cm y en la base alta 8cm a su vez su brazo de enfrente mide lo mismo, el soporte que los une a los 2 brazos iguales de ancho 6cm x 4cm La segunda parte es el antebrazo que consta 4 partes, de un lado del antebrazo mide 25 cm. y en la parte baja mide 7 cm. y en la parte alta 4cm, el primer soporte que lleva es 5.5 cm. x 4 cm., el segundo soporte es de 5.5 cm. x 4.5 cm. La tercera parte es brazo que consta de 3 partes, las medidas son de largo 25 cm. y de ancho 4 cm., a su vez el brazo de enfrente mide lo mismo, en la parte del soporte de largo mide 13 cm. X 4 cm. La cuarta parte es la mano que consta de 4 partes cuyas medidas son: en la base es de 10.5 cm. de largo x 5 cm. de ancho, las 2 partes laterales de base 10.5cm y de altura 7 cm., el soporte medirá 5 cm. x 2.5cm. Que serán el cuerpo del brazo hidráulico.
3.- una vez dibujada las partes procederemos a cortarlas y prepararlas para la pintura, la cual la pintaremos de color amarillo.
4.- Luego ensamblaremos las partes cada una para darle forma al brazo: La primera parte de la altura se le colocara el primer soporte a una altura de 21cm y de ancho 7cm ahí se unen las dos piezas que son de la misma medida también otro soporte con una altura de 26 cm, y de ancho 5.5cm ahí mismo se colocaran 2 tornillos en la parte media para que tenga el soporte las dos primeras partes.
La segunda parte del antebrazo se unirá con las dos primeras partes con tales medidas mencionadas, la parte donde comienza el antebrazo el cual llevara un soporte de una medida 4.5cm y de ancho 5.5 cm, en la parte del primer soporte se colocara a una distancia del otro soporte para que quede una distancia determinada del brazo. En la tercera parte del brazo se colocaran dos partes unidas con un tornillo, después se perforara el segundo tornillo, que unirá al antebrazo , en segundo tornillo se le colocara el soporte la cual ayudara a sujetar el brazo en la muñeca del mismo al cual se le aran otras dos perforaciones iguales ,que se le colocara un tornillo (pulgadas el cual unirá el brazo con la muñeca al igual se le colocara un soporte en la parte de atrás para así ajustar la mano y una vez ensambladas las partes comprobaremos que tenga movilidad y que todo este acorde al plan.
5.- Colocaremos la primera jeringa de 5ml en la parte de la base para el movimiento de rotación , para la segunda jeringa ocupamos una de 10ml que se colocó en medio de los dos principales brazos, la tercera jeringa de 5ml se colocó en el antebrazo, para el movimiento de la mano se colocara una jeringa de 5 ml todas estas con agua a cierta distancia de cada parte del brazo para así darle una movilidad, a su vez se unirán las mangueras a las jeringas y probaremos que tenga el suficiente líquido para que pueda funcionar.
6.- Después de realizar lo anterior lo que vamos hacer es que cuando ya tengamos realizado el brazo lo probaremos con las jeringas ya que este pintado, ya que este todo, probaremos que funcione.
7._ Al final solo queda probar y demostrar su movimiento y su uso en el tipo de incremento de fuerza para el movimiento de objetos, etc.
MATERIALES Y PARTES. JERINGAS: Serán utilizadas para hacer funcionar el brazo hidráulico ya que gracias a ellas el brazo tendrá movimiento y es lo más esencial que necesita el brazo para funcionar. CLAVOS: Se utilizaran para poder construir el carrito del brazo, también para fijar los rieles en la base y también como eje de gira miento del brazo hacia los lados. TORNILLOS Y TUERCAS: Los tornillos serán utilizados como pasadores para que el brazo se mueva de arriba hacia abajo, mientras que las tuercas se fijaran a los tornillos para sostenerlos. MADERA: Es lo esencial para poder elaborar el brazo hidráulico ya que gracias a la madera se podrá dar forma al brazo y construir el carrito para que tenga movilidad horizontal. MANGUERAS DE SUERO: Se utilizara para unir las jeringas para poder darle movimiento al brazo,
también se utilizara para que pase el líquido de una jeringa a otra. AGUA: Será utilizado para demostrar que un líquido con poca densidad es necesario aplicar mayor fuerza. LIJAS: Se utilizara para lijar la madera y quitar las astillas que esta tenga.
TABLA DE COSTOS MATERIALES Madera Jeringas Mangueras Alambre Clavos Lija Abrazadores Tornillos Y Tuercas Agua
COSTO $200.00 $24.00 $43.00 $10.00 $10.00 $ 10.00 $24.00 $25.00
CONCLUSIONES. De manera satisfactoria terminamos la realización de este proyecto, un brazo hidráulico, observamos que a través del agua podemos generar la suficiente fuerza como para lograr crear un movimiento por medio de la presión que este ejercía hacia el agua impulsada a través de mangueras. Una de los datos más importante es que pudimos generar o imitar el movimiento de un brazo humano, con materiales de fácil acceso como lo es la madera, las jeringas y las mangueras, todo era de fácil acceso, también podemos decir que este trabajo nos mostró cómo funciona el cuerpo humano, como simulando el manejo de las máquinas pesadas que se utilizan al algunas situaciones de la vida cotidiana, así también aprender a trabajar en equipo, a la organización y a la investigación Mediante este proyecto y en su realización hemos podido aplicar los conocimientos necesarios adquiridos en la materia de fundamentos de física a lo largo del semestre y en contraste adquiriendo conocimientos que nos eran desconocidos y hoy ya hasta los pudimos aplicar.
COMENTARIOS.
FRANDIZ LOPEZ KARLA NEREIDA: La experiencia que me dejo hacer este proyecto fue muy buena, ya que yo no había realizado antes un proyecto así, fue laborioso pero aprendí junto con mis compañeros a ser ingeniosos y a resolver los problemas que se nos presentaron a la hora de construir nuestro prototipo fue cuestión de dedicarle tiempo. Convivimos más y tratamos de dar opiniones así como escuchar cada opinión y juntos adaptar nuestras ideas a lo más conveniente para que el proyecto tuviese éxito. Convivir con mis amigos fue lo mejor porque no hubieron conflictos entre nosotros, supimos cómo ponernos de acuerdo y dividirnos el trabajo y apoyarnos para no caer en desesperación.
GALAN FIGUEROA DIANA PAOLA: El proyecto que realice con mis compañeros fue muy bonita; aprendí muchas cosas, trabajar con ellos me ayudo aportar buenas ideas, aprender sobre el proyecto en el que empezamos a trabajar, el principio y el final de cada paso. Fue agradable cada una de las aportaciones que hacíamos, pues eran favorables a lo que íbamos desarrollando. Al fin y al cabo logramos nuestro objetivo, me sentí muy a gusto trabajar con ellos, fue una buena experiencia. Hacer un trabajo como esté fue una gran meta en mi carrera.
HERNANDEZ LOPEZ HUGO Bueno a mí me costó un poco de trabajo acoplarme a las ideas de mis compañeras, porque siempre decían algo diferente que yo , y a mí me parecía que no tenía nada que ver con el brazo hidráulico, pero al final aprendí a aceptar la idea que más votos tuviera, lo que aprendí gracias a este proyecto, fue a trabajar en equipo y a conocer un poco más su forma de pensar de cada una de mis compañeras.
JULIAN PEREZ ANDREA ABIGAIL: Lo que aprendí de este proyecto fue que trabajamos en equipo y creo que es bueno conocer cada uno de los pensamientos de mis compañeros de cómo trabajan, aprendí que cada uno debe hacerse responsable de lo que dice y que hay que trabajar porque es un trabajo en equipo y debes aprender a compartir ideas con los demás y ser tolerante por qué no todos piensan igual y hay que hacerlo bien.
LOPEZ HERRERA DULCE PATRICIA Tuve una gran experiencia. Aprendí lo que es ser tolerante, a dar opiniones, era algo impuntual pero le echaba ganas, al igual que mis amigas. Está por demás decir que estar con ellas y convivir este proyecto fue lo mejor.
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