Creativo Informe

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL DEPARTAMENTO ACADEMICO DE HIDRAULICA E HIDROLOGIA

Mecánica de Fluidos I Ing. Juan Walter cabrera cabrera

MELGAREJO GOMEZ JERSON RUBEN

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2015-I

Laboratorio creativo Página 1


OBJETIVO El objetivo del laboratorio creativo es aplicar los conocimientos teóricos aprendidos en las clases y experimentar por cuenta propia , de tal forma que se pueda contrastar la teoría y la práctica de los fenómenos estudiados desde modelos matemáticos y de esta manera darnos cuenta de las limitaciones que puede tener la teoría a la hora de su aplicación pragmática

INTRODUCCIÓN En el presente trabajo creativo estudiaremos el comportamiento de los cuerpos mediante la presión que ejerce el agua, más precisamente trataremos de modelar una compuerta curva a escala. Para esto nos basaremos en nuestros conocimientos de la física de los cuerpos en estos casos, aplicando la teoría que conocemos. Por otro lado aplicaremos o al menos trataremos de aplicar los conocimientos desarrollados por la electrónica

contemporánea haciendo las consultas

respectivas a los especialista que se requiera sean , ing electrónicos , ing de sistemas , técnicos en electrónica y otros que sean necesarios para el desarrollo óptimo del presente laboratorio creativo.

RESUMEN En el presente informe se plasman los conocimientos adquiridos en la investigación que precede a la ejecución del proyecto en si mismo, asi como el propio proceso ejecutivo de nuestro proyecto veremos que es necesario emplear tecnologías desarrolladas muy recientemente, tales como el famoso Arduino y los servomotores. Se presenta el informe como un prueba fehaciente de que el trabajo de investigación es lo que nos llevo a desarrollar en su integridad nuestro proyecto por cuenta propia, por supuesto esto no quiere decir que hayamos descubierto la rueda , pues la información abunda en internet además de que hemos hecho las consultas respectivas a los entendidos en el tema, sino por el contrario hemos aprendido las nociones básicas de la electrónica lo cual fue muy gratificante .



CÁLCULOS REALIZADOS CÁLCULO DE CAUDAL:

La relación entre la abertura, a, y la profundidad de la vena contracta se expresa en el gráfico:

 = .

(1.1)

Además se sabe que:

 = 

(1.2)

Reemplazando (1.2) en (1.1), se obtiene:

 = /  = /

Aceptando las hipótesis de fluido incompresible, flujo permanente y uniforme, distribución hidrostática de presiones lejos de la compuerta, y tensiones cortantes nulas en paredes y fondo del canal, la ecuación de Bernoulli, planteada entre los puntos (1) y (2), expresa lo siguiente:

    .. =     ..   .. =   ..

(1.3) (1.4) Laboratorio creativo Página 3


Por conservación de masa:

 == ... = =.. .

(1.5)

De donde:

 =  .  =  =  = 1   .     2. =   2. − = 2. [1( )]        − = 2. .       −. = 2. .+.−  = + . 2

Reemplazando la ecuación (1.6) en (1.4) y haciendo

(1.6) :

Luego de sacar raíz se obtiene lo siguiente:

 =  + . √ 2

(1.7)

Reemplazando la ecuación (1.1) en la anterior e introduciendo el coeficiente de velocidad resulta:



  =  .   =  .  1 1. . √ 2  (1.8)

(1.9) Laboratorio creativo Página 4


 =  . =  .

(1.10)

Reemplazando en la (1.10) y (1.1) en (1.5), se tiene:

 =  +.. .√ 2

(1.11)

Introduciendo el coeficiente de descarga como:

 =  +..

(1.12)

Resultando:

 = .√ 2

(1.13)

El coeficiente de descarga se determina de los resultados experimentales de A. Toch.

CALCULO DE LAS FUERZAS SOBRE LA COMPUERTA:

Los datos que se necesitan para calcular la fuerza horizontal y el empuje sobre la compuerta radial son el radio, la altura del eje de giro, la altura del nivel de agua y la longitud de la compuerta.



Altura (h) = 15 cm Longitud (L) = 20 cm Radio (r) =20 cm Altura del eje de giro (P)= 12.5 cm Máxima altura del agua (H)= 15 cm *Nota: A1 corresponde a toda el área de la compuerta circunferencial Para el cálculo de la fuerza horizontal:

 = 12  ∗ℎ ∗   =  1∗ 15 ∗ 20 = 2250  = 2.25  El punto de aplicación de la fuerza vertical es a los 2/3 de la altura de la compuerta respecto de la superficie del agua. Para cada una de las áreas sombreadas en la figura, calculamos su componente horizontal del centroide de áreas:

Α = 12 ∗ ∗ 12. 5 ̅ = 2 ∗sen(arcsen( 3 20 ) θ) siendo θ = arcsen(12.205 )(2.205) = 38.687.18 Α = 12 ∗ √ 20  12.5∗ √ 20  12.5∗tan7.1812.5 Laboratorio creativo Página 6


̅ = √ 20  12.5∗ 23 = 15.61∗2/3 Α = 12 ∗ 1515.61∗tan7.18 12.5^2 /tan7.18 ̅ = 15.61 13 ∗ 1515.61∗tan7.1812.5 /tan7.18 SECCIÓN

AREA

CENTROIDE

1

159.87

12.47

2

112.91

10.41

3

1.13

17.01

Hallando el centroide:

9 1∗10. 4 11. 1 317. 0 1  = 159.87∗ 12.159.47112. = 17.41  87112.91 1.13

El peso del agua que “soporta” es igual a

 = 159.87112.911.13∗20 = 961.8   = 0.962 



DESARROLANDO LA PARTE ELECTRONICA MATERIALES (HARDWARE): Nota: En el informe digital para abrir el contenido del hipervínculo hacer ctrl + clic sobre el hipervínculo (título en color azul). PROTOBOARD Es una placa de pruebas, es una placa de uso genérico reutilizable, usado para construir prototipos de circuitos electrónicos con o sin soldadura. PLACA ARDUINO UNO R3 (Guia basica de ARDUINO.pdf ) Arduino es una plataforma de hardware libre basada en una sencilla placa de entradas y salidas cuenta con el entorno de desarrollo llamado Processing/Wiring, este lenguaje de programación nos resulta familiar a los estudiantes de la FIC-UNI, pues al estar basado en C/C++ , es muy similar a lo que hemos estudiado en el curso de programación. MODULO BLUETOOH SLAVE (HC-06)( Manual del modulo bluetooh ) El módulo bluetooth HC-06 viene configurado de fábrica para trabajar como esclavo, es decir, preparado para escuchar peticiones de conexión. Agregando este módulo a nuestro proyecto podremos

controlar a

distancia desde un celular, las funcionalidades que hayamos programado en el Arduino. SERVOMOTOR TOWERPRO MG995 (12kg.cm) (Especificaciones) Un servomotor es un motor eléctrico que consta con la capacidad de ser controlado, tanto en velocidad como en posición debido a que posee una pequeña computadora que monitorea estos parametros, este tipo de motores poseen gran presicion en cuanto al posicionamiento

y

tienen como

complemento ideal al Arduino que le enviara las ordenes de acuerdo a la programacion hecha.



FUENTE DE ALIMENTACION (VCC = 5V y 2000 m A) Es un transformador que pueda emitir un voltaje de 5 –9 V y alrededor de 2 amperios, es muy necesario pues debido al gran consumo de amperios del servomotor , se debe alimentar con una fuente externa de poder , en caso contrario podria dañar el Arduino o la fuente de la cual se alimenta el arduino que usualmente es una laptop.

CABLES JUMPER Sirven para efectuar las conexiones e ntre los dispositivos que uno crea conveniente.

PROCEDIMIENTO: El proceso que se mencionara es producto de la investigación realizada durante varias semanas , esta fue hecha mediante internet principalmente y consultando amigos estudiantes que nos brindaban pautas y recomendaciones , además de facilitarnos material de lectura sobre este tema tan ajeno (en principio) a nuestra carrera de ingeniería civil; se adjunta en el informe digital las referencias que consideramos más importantes. 

Tutorial 1 – Instalando el entorno de programación y la placa Arduino Una vez que tengamos

todo el hardware,

procederemos a descargar e instalar el software Arduino ID . Luego instalaremos los drivers, por ultimo verificaremos que solo exista un puerto de comunicación abierto en la PC, de haber más tendremos que desinstalarlos, todo lo hacemos guiándonos del tutorial 1.





Tutorial 2: Controlando un servomotor con el arduino Luego procederemos a conectar el servomotor al arduino así: 

Antes de hacer cualquier conexión se tiene que cargar el programa de prueba al arduino.



Luego procederemos a seguir el tutorial 2 .Para esto usaremos la fuente en vez de las pilas, en la fuente le soldamos unas puntas al positivo y al negativo para poder conectarla al protoboard.



En la figura se indican las conexiones a realizar.

Observaciones: 

Esta fue la etapa más crítica de nuestra investigación y la que nos llevó más tiempo resolver, alrededor de una semana, pues no hay consenso en cuanto al voltaje y amperaje adecuado, para nuestro modelo de servomotor y si es que es necesario usar una fuente externa para hacerlo funcionar o se le puede alimentar con el voltaje que sale del propio arduino, esto último lo descartamos de forma muy rápida pues cuando alimentábamos al servomotor con el arduino este se reiniciaba una y otra vez.



Para resolver este problema tuvimos que probar con diferentes fuentes de alimentación , y consultar con distintos amigos estudiantes , entendidos en la rama electrónica, Llegando a la conclusión de que es necesario usar una fuente de alimentación externa solo para el servomotor, que pueda dar un voltaje superior a los 5V y

2Amperios de

intensidad , además de poner un diodo de seguridad en el positivo (cable rojo ) del servomotor, para evitar el flujo de corriente inversa. 

Por otro lado, el voltaje a utilizar puede variar de motor a motor , siendo necesarios 9V para que funcionen algunos , para esta razón fue imprescindible nuestra fuente de poder de voltaje regulable.



Por último, es recomendable revisar los cables antes de pensar en un error de codificación del arduino o una falla del servomotor, ya que estos suelen hacer mal contacto evitando el correcto funcionamiento, los cables que no funcionan simplemente se desechan. Resueltos todos los inconvenientes mencionados, el servomotor comenzara a funcionar obedeciendo la programación cargada en el arduino.





Tutorial 3 : Configuración Bluetooth Esclavo hc-06 

Podemos programar el arduino para que haga que el motor gire un angulo si le damos algun comando, para que esto se pueda hacer de forma inalambrica y con un celular android usaremos el modulo bluetooh.



ensamblamos el módulo bluetooh al arduino según el grafico, una vez hecho el led rojo del bluetooh , comenzara a parpadear , luego procedemos a vincular el celular o tablet android con el moulo , que aparecera con el nombre

HC-06 (si no lo hemos

cambiado). 

Luego para conectarnos al modulo pedira una contraseña que puede ser :1234 o bien: 0000.Ahora el led del modulo dejara de parpadear indicando que esta conectado a un dispositivo y

esta listo para

transmitir nuestras ordenes al arduino , que a su vez controlara el giro del servomotor.



Tutorial 4 : Programando el Arduino Una vez que todo nuestro hardware este ensamblado y funcionando correctamente procedemos a programar el arduino para esto fue de mucha ayuda haber llevado el curso de programación, donde se trató en profundidad los fundamentos que ahora solo aplicaremos en un lenguaje de progr amación nuevo pero similar a lo estudiado en el curso mencionado. A continuación presentamos la codificación desarrollada para controlar nuestro servomotor a través del arduino: codificacion en arduino #include Servo miServo; int angulo=45; void setup() { miServo.attach(9); Serial.begin(9600);} char cadena[30]; //Creamos un array que almacenará los caracteres que escribiremos en la consola caracteres, en este caso 30

byte posicion=0;

del

PC.

Le

asignamos

un

tope

de

//Variable para cambiar la posición de los caracteres

del array



int valor; //Variable del valor entero void loop() { if(Serial.available()) //Nos dice si hay datos en buffer { memset(cadena, 0,sizeof(cadena));//memset borra el contenido del array

"cadena" desde la posición 0 hasta el final sizeof

while(Serial.available()>0) //Mientras haya datos en el buffer ejecuta la función

{ delay(100); //Poner un pequeño delay para mejorar la recepción de datos cadena[posicion]=Serial.read();//Lee un carácter del string "cadena" de la "posicion", luego lee el siguiente carácter con "posicion++"

posicion++; } angulo=atoi(cadena);//Convertimos la cadena de caracteres en enteros angulo=constrain(angulo,0,90);//restringimos el valor de 0 a 90 //si ingrsamos un texto comparamos, si lo ingresado es abrir o Abrir el angulo sera 45 ...

if(angulo==0) {Serial.print("ingrese un angulo entre 0 y 180\n"); if(strcmp("Abrir",cadena)==0 || strcmp("abrir",cadena)==0 ||strcmp("a",cadena)==0 ||strcmp("abrete sesamo",cadena)==0 )angulo=45; if(strcmp("Cerrar",cadena)==0 || strcmp("cerrar",cadena)==0||strcmp("c",cadena)==0)angulo=0;} //si lo que ingresamos fue un numero pondra el servo en el angulo que sea ese numero

else { miServo.write(angulo); Serial.print("Angulo:");Serial.println(angulo); delay(500);}

posicion=0;//Ponemos la posicion a 0 } miServo.write(angulo); //ponemos el servo en el angulo que sea Serial.print("Angulo:");Serial.println(angulo);//escribimos en la pantalla el angulo actual

delay(500); }

Aunque hemos desarrollado varios códigos que interactúan de forma distinta, este e s el que nos parece más interesante para nuestros propósitos y es por supuesta la culminación de varios días de investigación recopilando lo mejor de o tros códigos escritos también por nosotros .





Tutorial 5 :Crear aplicaciones para android con App Inventor e n Español.html Uno de los principales problemas que se nos planteaba a priori al inicio de nuestra investigación era el de hacer una aplicación para un celular android , pues aunque conocemos de programación , crear una interfaz para un celular parecía algo muy complicado de hacer , además que estos se programan en un lenguaje llamado Java del cual no conocíamos casi nada , por suerte para nosotros existe un software especializado de muy fácil comprensión llamado App Inventor el cual exime casi por completo a los desarrolladores de conocer el lenguaje Java, aunque solo se pueden crear aplicaciones simples , esto es suficiente para nuestros propósitos. A continuación una aplicación creada por nosotros:



Si bien es cierto fue muy interesante y educativo aprender a cre ar nuestra propia aplicación para nuestro celular, resulto que al final es mucho mej or utilizar alguna aplicación desarrollada por gente muy entendida en el tema y que funcionan más eficientemente, pues obviamente se desarrollan usando técnicas muchos más sofisticadas que el AppInventor , además que nos brindan una interfaz m ucho mas elaborada que lo que podríamos lograr desarrollándolo nosotros mismos . Hemos encontrados varias aplicaciones que cumplen con nuestras expectativas a continuación nombramos algunas:

ArduDroid :

Arduino Bluetooth Servo Motor : esta

Muy útil para

aplicación es muy

manipular leds

interesante y funciona

con el arduino,sin

muy bien sin embargo

embargo su “send

requiere de un código

data” o entrada

específico para usarse

de datos hacia el

el cual no es tan sencillo de modificar , por lo cual tampoco lo

Finalmente encontramos : BlueTerm que es una aplicación muy estable en cuanto a

su entrada de datos y no requiere alguna codificación especifica por lo que resulto excelente para nuestro proyecto.





METRADO DE LOS MATERIALES USADOS Y PRECIO: ITEMS 1

DESCRIPCIÓN

Area

CANT.

1.2 1.5 1.4 1.5 1.6

Compuerta Plancha de Mica 20 cm × 19.5 cm 88 × 52 cmts Madera 2 cm x 2 cm Madera 6 mm* 6 mm Microporoso 25 cm × 28 cm 88 × 52 cmts Cola para madera Pegamento Super Glue

2 1 1 3

2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

Sistema Motor Servomotor Arduino uno Protoboard HC 05 Cable Jumper

1 1 1 1 1

1.1

COSTO TOTAL DEL PROYECTO

1

PRECIO UNIT.

PRECIO TOTAL

8.00 10.00 0.50 4.00 5.00 0.50 SUB TOTAL

0.68 10.00 1.00 0.34 5.00 1.50 18.52

40.00 50.00 10.00 33.00 7.00 SUB TOTAL

40.00 50.00 10.00 33.00 7.00 140.00 158.52




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