SECRETARIA DE EDUCACIÓN PÚBLICA SUBSECRETARIA DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN TECNOLÓGICA INDUSTRIAL CENTRO DE ESTUDIOS TECNOLÓGICOS INDUSTRIAL Y DE SERVICIOS No.42 “Ignacio López Rayón”
INDICE Portada……………………………………………………………………………………..…1 Introducción…………………………………………………………………………………..3
CAPITULO I 1. El Problema………………………………………………………………………… .…...5 1.1 Tema ………………………………………………………………………………..5 1.2 Objetivos……………………………………………………………………... .......5 1.2.1 Objetivo General………………………………………………….......... 5 1.2.2 Objetivos Específicos……………………………………………… .....5 1.3 Planteamiento del Problema……………………………………………………..5 1.4 Formulación del Probl ema……………………………………………………….5 1.5 Justificación………………………………………………………………………..6 1.6 Hipótesis……………………………………………………………………...........6 1.7 Alcances y L imitaciones………………………………………………………….7
CAPITULO II 2. Marco Refer encial………………………………………………………………………8 encial………………………………………………………………………8 2.1 Marco Teórico…………………………………………………………………….8 2.2 Marco Con ceptual………………………………………………………………11 2.3 Marco Le gal………………………………………………………………..........17 CAPITULO III 3. Marco Metodológico………………………………………………………………….18 3.1 Enfoque Metodológico …………………………………………………………18 3.1.1 Técnicas de Instrumentos a Emplear………………………………18 3.1.2 Plan de Acción…………………………………………………...……20 3.1.3 Matriz del Plan de Trabajo…………………………………………...22 3.1.4 Tiempo estimado del Proyecto………………………………………25
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3.2 Técnica de Recolección de Datos…………………………………………….25 3.3 Técnica de Procesamiento y Análisis de Datos……………………………..25 CAPITULO IV 4. Propuesta del Proyecto………………………………………………………………30 4.1 Estudio del Di agnostico………………………………………………………..30 4.2 Factibilidad………………………………………………………………………30 4.3 Diseño de la Prop uesta……………………………………………………......30 4.3.1 Materiales……………………………………………………………...31 4.4 Aplicación Práctica d e la Propuesta………………………………………….31 4.4.1 Procedimiento………………………………………………………….31 4.4.2 Cálculos………………………………………………………………...33 4.4.3 Tabla de Velocidad y Aceleración del Carro……………………… .35 4.4.4 Tabla de Desaceleración del Carro………………………………….35 CONCLUSIONES………………………………………………………………………….36 RECOMENDACIONES……………………………………………………………..........36 LINKOGRAFIA……………………………………………………………………………..37 ANEXOS……………………… ANEXOS……………………………………… …………………………… …………………………… …………………………… ………………38 …38
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3.2 Técnica de Recolección de Datos…………………………………………….25 3.3 Técnica de Procesamiento y Análisis de Datos……………………………..25 CAPITULO IV 4. Propuesta del Proyecto………………………………………………………………30 4.1 Estudio del Di agnostico………………………………………………………..30 4.2 Factibilidad………………………………………………………………………30 4.3 Diseño de la Prop uesta……………………………………………………......30 4.3.1 Materiales……………………………………………………………...31 4.4 Aplicación Práctica d e la Propuesta………………………………………….31 4.4.1 Procedimiento………………………………………………………….31 4.4.2 Cálculos………………………………………………………………...33 4.4.3 Tabla de Velocidad y Aceleración del Carro……………………… .35 4.4.4 Tabla de Desaceleración del Carro………………………………….35 CONCLUSIONES………………………………………………………………………….36 RECOMENDACIONES……………………………………………………………..........36 LINKOGRAFIA……………………………………………………………………………..37 ANEXOS……………………… ANEXOS……………………………………… …………………………… …………………………… …………………………… ………………38 …38
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INTRODUCCIÓN:
Naturaleza y Medio Ambiente
Podemos comenzar diciendo que entendemos por medio ambiente al espacio en el cual el ser humano interactúa con la naturaleza en mayor o menor grado. El medio ambiente es todo aquello que nos rodea y aunque en la mayoría de los casos esta noción se relaciona con la naturaleza, también podríamos decir que en cierto sentido el medio ambiente puede ser el espacio creado artificialmente por el ser humano, como lo es una ciudad o un gran centro urbano. La importancia del medio ambiente es hoy en día innegable y esto tiene que ver con el abuso y el desgaste que el ser humano genera de manera cada vez más notoria sobre los complejos fenómenos naturales, provocando alteraciones al medio ambiente que afectan no sólo a otros seres vivos sino también a sí mismo.
El ser humano siempre ha interactuado en mayor o menor grado con el medio ambiente ya que es de él de donde obtiene todos los recursos para su subsistencia. Sin embargo, en los últimos tiempos, el crecimiento de la población mundial a niveles desmedidos y el aumento con ella de las necesidades de alimentos y diversos tipos de recursos ha llevado al ser humano a generar severos daños en el m edio ambiente planetario, algunos irreversibles, como el agotamiento de recursos no renovables, la contaminación de cursos de agua o del aire, la generación de gases del famoso efecto invernadero, etc. La importancia del medio ambiente estriba en el hecho de que todas las formas de vida toman lugar en él y no en otro lugar, por lo cual su cuidado y preservación debería ser uno de los elementos primordiales de la acción humana.
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Hoy en día existe una conciencia cada vez más notoria sobre la relevancia de estas acciones y no sólo los individuos si no también los gobiernos y las empresas han comenzado a desarrollar actividades que tiendan a preservar o a limitar el daño sobre el medio ambiente. El problema de la contaminación afecta a todos los habitantes del planeta tierra. Cada vez el mundo se contamina más y más debido al avance tecnológico y a las necesidades que implica la vida. México es un país cuya dependencia energética ronda el 90%, importando petróleo y otros hidrocarburos, en gran medida para el sector transporte. Ello supone una enorme dependencia de los precios o de la inestabilidad política en los países productores y para nuestro medio ambiente los efectos nocivos de la utilización de combustibles fósiles. En este escenario surge la necesidad de buscar otras formas de obtención de energía para asegurar suministro, precios y garantía energética del país. En el transporte convencional la energía se concentra como combustible a bordo o se transfiere por una línea eléctrica al vehículo. En la mayor parte de los vehículos (coches, trenes, buques, aviones) junto a la carga, o elemento transportado, necesario añadir el combustible y el motor que lo transforma en movimiento, ello incrementa la masa a desplazar y la energía necesaria para ello, restando eficiencia al sistema. La idea de realizar grandes cantidades de trabajo utilizando muy poca potencia, es exactamente lo que es la eficiencia. Esto se logra, gracias a que en el diseño de los vehículos se utiliza en su construcción materiales muy ligeros y resistentes, logrando obtener el menor peso en su estructura, también, se reducen al máximo las pérdidas mecánicas por fricción en rodamientos, además de reducir el impacto ambiental provocado por los combustibles fósiles.
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CAPITULO I 1. El problema 1.1 Tema: Prototipo de un carro a escala que funciona con energía solar.
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1.2 Objetivos 1.2.1 Objetivo General: Elaborar un carro a escala que funcione en su totalidad con energía solar. Utilizando para su elaboración materiales reciclados. Una vez terminado el prototipo, realizaremos una mini competencia para probar los factores externos que inciden en su funcionamiento.
1.2.2 Objetivos específicos
Reducir la contaminación ambiental evitando el uso excesivo de energías no renovables.
Aprovechar la luz solar como una fuente de energía menos contaminante para contribuir con el medio ambiente.
Concientizar a la sociedad de la importancia que tiene el ahorro de energía mediante la elaboración de este prototipo.
Demostrar que si es posible elaborar Prototipos que funcionen con energía solar sin ocasionar un gasto económico elevado.
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1.3 Formulación del problema ¿Pueden los paneles solares reemplazar las baterías convencionales y llegar a ser una de las formas para proteger el medio ambiente? La energía solar es una fuente de energía alternativa que consiste en el aprovechamiento de la energía de la luz emitida por el sol y convertida en corriente eléctrica. Desde que se descubrió, se la ha catalogado como la solución perfecta para las necesidades energéticas de todo el mundo, debido a que es una fuente limpia, gratuita y que se puede obtener en cualquier parte del planeta. Ilustración 3
1.4 Hipótesis La tecnología avanza de acorde a las necesidades que tiene el ser humano pero la misma no considera técnicas apropiadas las cuales no ocasionen daños irreversibles para el entorno. El medio ambiente se ha visto afectado en los últimos años por el uso excesivo de pilas y baterías además del consumo desmedido de combustibles fósiles que significan un aporte negativo para el ecosistema y para los habitantes.
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Ilustración 4
Implementar un método innovador como es la utilización de una celda solar para aprovechar la energía calorífica proporcionada por el sol, el mismo que es una f uente inagotable y muy poco aprovechada como medio para obtener energía. Se sujeta a los avances tecnológicos no solo pensado para el desarrollo de la humanidad además toma en cuenta los problemas ambientales de hoy en día. Las celdas solares PV o fotovoltaicas funcionan bajo el principio de que la electricidad circulará entre dos semiconductores disímiles al ponerlos en contacto uno con el otro y ser expuestos a la luz. Conectando un número de estas celdas entre sí, se apreciará que se produce una útil y abundante circulación de corriente eléctrica. Un conjunto de dos o más unidades de celdas fotovoltaicas de iguales características constituyen un módulo fotovoltaico. Por causa de sus propiedades eléctricas, los módulos fotovoltaicos producen corriente continua en lugar de corriente alterna (C.A.). La corriente continua (C.C.) se caracteriza por el pasaje de electrones circulando en una sola dirección (el tipo de corriente que obtiene de una pila o de un elemento de linterna). La corriente alternada es una circulación de electrones que invierte su dirección a intervalos regulares, como por ejemplo la provista por las compañías generadoras a través de la red de distribución nacional. La C.A. es necesaria para accionar la mayoría de los artefactos grandes, refrigeradoras, etc. En los sistemas fotovoltaicos más sencillos, la corriente continua se usa directamente. En las aplicaciones en donde es necesaria la C.A., se agrega al sistema un "inversor", que convierte la cc en ca.
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Efecto fotoeléctrico.- El Efecto Fotoeléctrico es la formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. El término efecto fotoeléctrico designa varios tipos de interacciones similares. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el anodo, bajo la influencia de un campo eléctrico. El estudio del efecto fotoeléctrico externo desempeñó un papel importante en el desarrollo de la física moderna. Una serie de experimentos iniciados en 1887 por Becquerel demostró que el efecto fotoeléctrico externo tenía determinadas características que no podía n explicarse por las teorías de aquella época, que consideraban que la luz y todas las demás clases de radiación electromagnética se comportaban como ondas. Por ejemplo, a medida que la luz que incide sobre un metal se hace más intensa, la teoría ondulatoria de la luz sugiere que en el metal se liberarán electrones con una energía cada vez mayor. Sin embargo, los experimentos mostraron que la máxima energía posible de los electrones emitidos solo depende de la frecuencia de la luz incidente, i no de su intensidad. En 1905, para tratar de explicar el mecanismo del efecto fotoeléctrico externo, Albert Einstein sugirió que podría considerarse que la luz se comporta en determinados casos como una partícula, y que la energía de cada partícula luminosa, o fotón, sólo depende de la frecuencia de la luz. Para explicar el efecto fotoeléctrico externo, Einstein consideró la luz como un conjunto de "proyectiles" que chocan contra el metal. Cuando un electrón libre del metal es golpeado por un fotón, absorbe la energía del mismo. Si el fotón tiene la suficiente energía, el electrón es expulsado del metal. La teoría de Einstein explicaba muchas características del efecto fotoeléctrico externo, como por ejemplo el hecho de que la energía máxima de los electrones expulsados sea independiente de la intensidad de la luz. Según la teoría de Einstein, esta energía máxima sólo depende de la energía del fotón que lo expulsa, que a su vez sólo depende de la frecuencia de la luz. La teoría de Einstein se verificó por experimentos posteriores. Su explicación del efecto fotoeléctrico, con la demostración de que la radiación electromagnética puede comportarse en algunos casos como un conjunto
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de partículas, contribuyo al desarrollo de la teoría cuántica. El término efecto fotoeléctrico también puede referirse a otros tres procesos:
La fotoionización.
La fotoconducción.
Efecto fotovoltaico.
La fotoionización es la ionización de un gas por la luz u otra radiación electromagnética. Para ello, los fotones tienen que poseer la suficiente energía para separar uno o más electrones externos de los átomos de gas. En la fotoconducción, los electrones de materiales cristalinos absorben energía de los fotones y llegan así a la gama de niveles de energía en la que pueden desplazarse libremente y conducir electricidad. En el efecto fotovoltaico, los fotones crean pares electrón-hueco en materiales semiconductores. En un transistor, este efecto provoca la creación de un potencial eléctrico en la unión entre dos semiconductores diferentes.
1.5 Alcances y Limitaciones Alcances: Aprovechar los rayos solares los cuales convertidos en energía reemplazan el uso de baterías que tienen poca duración y alta contaminación además de promover el uso de energías alternativas. Mientras más voltaje tenga la celda fotovoltaica
el motor generara una mayor
velocidad del carro a escala. Limitaciones: Cuanto más liviano sea el carro, mayor aceleración alcanzará (por la segunda ley de Newton, la aceleración es inversamente proporcional a la masa).
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La resistencia provocada por el viento disminuye la velocidad del carro. Mientras más área de contacto tenga el carro con el viento y mientras mayor sea la velocidad del viento, mayor será la influencia del viento sobre él. La fricción entre los engranajes, las ruedas y del contacto de las llantas con la pista también disminuyen la velocidad del carro.
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Algunas interrogantes sobre las celdas fotovoltaicas ¿Trabajan las células fotovoltaicas en climas gélidos? Sí y, de hecho, muy bien. Al contrario de lo que la mayor parte de la gente intuye, los sistemas fotovoltaicos general realmente más potencia a menores temperaturas. Esto es porque las celdas son dispositivos electrónicos reales y generan electricidad partiendo de la light, no del calor. Como la mayoría de los dispositivos electrónicos, las celdas fotovoltaicas funcionan con mayor eficiencia a temperaturas frías. En climas templados, las celdas generan menor energía en invierno que en verano, pero esto se debe a que los días son más cortos, el sol cae a un menor ángulo y la cubertura por nubes es mayor, no por las temperaturas más bajas. ¿Trabajan en días nublados? ¿Qué pasa en interiores? Las celdas fotovoltaicas siguen generando electricidad durante los días nublados aunque su salida se ve disminuida. En general, la salida decae linealmente hasta alrededor del 10% respecto de la intensidad solar plena normal. Como una celda
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fotovoltaica plana responde a una ventana de 180 grados de ángulo, no necesitan luz solar directa y pueden generar un 50 al 70% de su régimen especificado de salida en un cielo cubierto. Una oscurización diurna puede corresponder a sólo el 5 al 10% de la intensidad a pleno sol, así que la salida podría disminuir proporcionalmente. Los niveles de luz en interiores, así sea en una oficina con gran iluminación, son dramáticamente menores que la intensidad lumínica en el exterior -típicamente por un factor de varios cientos o más. Las celdas fotovoltaicas diseñadas para uso externo generalmente no producen potencia útil a estos niveles de luz dado que han sido optimizadas para intensidades mucho mayores. Por otra parte, las unidades diseñadas para menores niveles de luz -- como las que se pueden encontrar en calculadoras o relojes -- han sido preparadas para estas condiciones y se comportan pobremente a plena luz solar. ¿Cuánto durará mi sistema PV? ¿Perderán potencia a través del tiempo los módulos? En general, los módulos fotovoltaicos constituyen el componente de mayor vida de un sistema. Los de máxima calidad se diseñan para durar, al menos, 30 años y poseen una garantía por 20. Están diseñados para soportar todos los rigores ambientales incluyendo el frío ártico, el calor del desierto, la humedad tropical, vientos en exceso de 200 kph, y 25mm de granizo a una velocidad terminal. Las baterías industriales de alta calidad durarán como máximo unos 8 a 10 años. Las unidades selladas más pequeñas durarán típicamente de 2 a 4 años. Las baterías para uso en automotores no equilibran su acción con las características de los sistemas fotovoltaicos y generalmente tendrán una duración de sólo 12 a 18 meses en servicio. La clave para una larga vida es un diseño correcto del sistema y la selección de componentes. ¿Requieren algún tipo de mantenimiento? Sí, pero sólo mínimo. Los sistemas solares modernos pueden proveer una gran cantidad de información para asistirlo y hasta pueden llevar a cabo algunas funciones automáticamente. La tarea mayor es asegurarse de que los Paneles Solares estén limpios y que el nivel de agua de las baterías (cuando se usan) sea suficiente. Los sistemas dispuestos en red y que no poseen baterías requieren muy escaso mantenimiento. ¿Hay diferentes tipos de módulos solares (PV)? Sí. Hay módulos disponibles en diferentes potencias de salida, tipos de bastidores y montajes, tecnología de la celda, expectativa de vida y eficiencia. Estos factores determinarán el mejor panel que convenga a sus necesidades. Si está comparando marcas, asegúrese de que conoce qué es lo que está obteniendo. BP Solarex posee un amplio surtido de paneles solares de alta eficiencia para cubrir virtualmente cualquier aplicación. ¿Es necesario usar cables y fusibles especiales?
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Sí. Aun cuando se intercale en su sistema un inversor o convertidor con el fin de obtener corriente alternada, seguirá habiendo una circulación de corriente continua. La electricidad de corriente continua requiere cables o alambres de conexión más gruesos y en algunos casos, fusibles y sistemas de protección especiales. Asegúrese de estar en conocimiento con las leyes que rigen el manejo de potencias (Leyes de Ohm y Watt y una tabla de conductores que indiquen las corrientes admisibles) o recurra a un instalador experimentado en lo tocante a la electricidad de CC.
CAPITULO II 2. Marco Referencial 2.1 Marco teórico 2.1.1 Pilas y baterías La pila es un generador portátil de energía eléctrica obtenida mediante la transformación de energía química.
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Pueden ser de forma cilíndrica, prismática o de forma de botones, dependiendo de la finalidad a la cual se la destine. Existen muchos tipos de pilas que se pueden clasificar inicialmente en dos grandes grupos:
Primarias o pilas que una vez agotadas no es posible recuperar el estado de carga.
Secundarias o baterías, en las que la transformación de la energía química en eléctrica es reversible, por lo que se pueden recargar. Por tanto la cantidad de residuos generados es mucho menor.
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2.1.2 Tipos de baterías y pilas La mayoría de tipos de las baterías y pilas se pueden reciclar. De todas formas, algunas de ellas se reciclan más fácilmente que otras, tales como las baterías de plomo y ácido, de las cuales se recicla casi el 90%;2 y las pilas de botón, por su valor y la toxicidad de sus componentes. Otros tipos, como las alcalinas y las recargables, también pueden ser reciclados.
Baterías de plomo y ácido
Estas baterías incluyen las: baterías de automóvil, de carritos de golf, sistemas de alimentación ininterrumpida, baterías de maquinaria industrial, baterías de motocicletas, y otras baterías comerciales. Pueden ser normales de plomo ácido, selladas de plomo ácido, de tipo gel, o de matriz absorbente. Estas se reciclan trozándolas, neutralizando su ácido, y separando los polímeros del plomo. Los materiales recuperados se usan para diversos fines, incluyendo la fabricación de baterías y pilas nuevas.
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Pilas de óxido de plata
Las baterías de óxido de plata, se usan con frecuencia en relojes, juguetes y diversos aparatos de uso médico, las mismas contienen una pequeña cantidad de mercurio. En la mayoría de las jurisdicciones existen legislaciones que regulan la forma de manejo y desecho de las pilas de óxido de plata para reducir en la medida de lo posible la liberación de mercurio al medio ambiente. Las pilas de óxido de plata se pueden reciclar para recuperar el contenido de mercurio.
2.1.3 ¿Por qué reciclar las Pilas y Baterías? Cuando las pilas se tiran a la basura doméstica, suelen terminar en el vertedero. Allí se oxidan y como consecuencia, el mercurio se libera contaminando el suelo y pudiendo llegar a mezclarse con las aguas o se convierte en metilmercurio, compuesto bio-acumulable de elevada toxicidad. Se han descubierto acumulaciones de mercurio en peces, para quienes esta sustancia no resulta tóxica dado que cuentan con un enlace proteínico que fija el mercurio a sus tejidos sin que dañe sus órganos vitales. Pero, cuando los seres humanos ingieren los peces, el mercurio se libera, recupera su toxicidad y le provoca, a mediano o largo plazo, daños en los tejidos cerebrales y en el sistema nervioso central.
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Lo mismo ocurre con el cadmio que contamina las aguas y el aire e ingresa a los cultivos. El cuerpo humano tarda décadas en eliminarlo y su absorción continuada
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puede producir serias lesiones renales, carcinomas, problemas pulmonares y en el hígado. Otra razón importante para reciclar las pilas y baterías es que éstas pueden ser consideradas como una fuente de materias prima secundaria ya que de ellas se puede recuperar el níquel, cobalto y plata. El hecho de sustituir metales vírgenes por metales reciclados, en la producción de nuevas pilas y baterías, disminuye el gasto energético y los impactos ambientales negativos derivados de la extracción de nuevos minerales. Si se usa cadmio y níquel reciclados se exige un 46% y un 75% menos de energía primaria respectivamente, que al extraer y refinar los mismos metales pero vírgenes. En el caso del zinc, la relación de energía necesaria para el reciclado y la extracción de material virgen son de 2,2 a 8. Otra ventaja importante del reciclaje con respecto a la extracción de recursos es que en la producción primaria de metales se emite el 10% de las emisiones mundiales de CO2.
2.1.4 Barreras al reciclaje
Alto consumo de energía requerido por el proceso usado en las plantas de reciclado de pilas.
Costosos tratamientos posteriores para recobrar el resto de los componentes.
Distintos tratamientos para cada tipo de pila o batería
Altos costos de inversión para plantas de pequeña escala no permiten financiar proyectos en mercados acotados
2.1.5 Tiempo de biodegradación de pilas El tiempo de biodegradación de las pilas es de más de 1 000 años. Las pilas contienen elementos altamente contaminantes y que no se degradan fácilmente. Se destaca su contenido de mercurio, zinc, cromo, arsénico, plomo o cadmio. A los 50 años de
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desechada comienza su degradación, pero seguirán siendo nocivos durante más de mil años.
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En términos generales, las pilas, al ser desechadas se oxidan con el paso del tiempo por la descomposición de sus elementos y de la materia orgánica que las circunda, lo que provoca daños a la carcasa o envoltura y, por consiguiente, la liberación al ambiente de sus componentes tóxicos a los suelos cercanos y a los cuerpos de agua superficiales o subterráneos. Otras causas de considerable importancia que contribuyen a la liberación de esos componentes son los incendios de los basureros o la quema intencional de basura, lo cual resulta en una liberación significativa de esos contaminantes al aire.
2.1.6 Contaminación por automóviles Los automotores representan una fuente importante de contaminación del aire. El parque automotor incluye un numeroso y activo conjunto de vehículos propulsados por la combustión de hidrocarburos (ciclomotores, automóviles y camiones).
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Las emisiones procedentes de los escapes de estos vehículos contienen monóxido de carbono, hidrocarburos y óxidos de nitrógeno que son liberados a la atmósfera en importantes cantidades; son los componentes del "smog oxidante fotoquímico". Por esta razón, las zonas urbanas más pobladas son las que sufren la mayor contaminación de este tipo. La contaminación vehicular del aire produce efectos nocivos para la salud humana. Los estudios epidemiológicos estableciendo comparaciones entre áreas urbanas (elevado nivel de contaminación) y áreas rurales (bajo nivel de contaminación) demuestran que el aumento de los casos de enfermedades respiratorias está relacionado con las primeras.
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Alternativas
Mejorar el transporte público disminuyendo el tránsito ur bano.
Modificar los motores de combustión interna.
Emplear carburantes sustitutivos de la gasolina.
Desarrollar otras fuentes energéticas alternativas tales como la eléctrica.
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2.1.7 Diferencia entre panel solar y panel fotovoltaico Un panel solar es un módulo que aprovecha la energía de la radiación solar. El término comprende a los colectores solares utilizados para producir agua caliente (usualmente doméstica) y a los paneles fotovoltaicos utilizados para generar electricidad.
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Los paneles fotovoltaicos: están formados por numerosas celdas que convierten la luz en electricidad. Las celdas a veces son llamadas células fotovoltaicas, del griego "fotos", luz. Estas celdas dependen del efecto fotovoltaico por el que la energía luminosa produce cargas positiva y negativa en dos semiconductores próximos de diferente tipo, produciendo así un campo eléctrico capaz de generar una corriente. Los paneles fotovoltaicos, además de producir energía que puede alimentar una red eléctrica terrestre, pueden emplearse en vehículos eléctricos y barcos solares.
2.2 Marco conceptual 2.2.1 Factores que disminuyen la velocidad del carrito solar.
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- Peso - Resistencia del viento - Fricción La fuerza de fricción depende de las características de la superficie en contacto (entre engranajes, en las ruedas y entre la llanta y el suelo). y de la masa del carro. Por lo tanto, el peso del carro debe ser el menor posible, se debe evitar elementos que aumenten la resistencia del aire (por ejemplo, puertas abiertas, carteles perpendiculares a la dirección del viento), los engranajes deben tener poca fricción (usar engranajes de plástico o aluminio) y deben estar montadas firmemente al chasis o sobre un apoyo rígido, las ruedas deben ser perfectamente redondas y tener llantas de goma y los ejes deben ser perfectamente paralelos y bien apoyados.
2.2.2 Celda solar o celda fotovoltaica Es un instrumento que genera electricidad directamente de la luz visible, debido al efecto fotovoltaico. Para poder generar energía útil, se deben interconectar un cierto número de celdas para formar un panel solar , también conocido como un módulo fotovoltaico. Generalmente, la cantidad de poder que se genera con un panel solar es de 12 voltios, los cuales se pueden utilizar de manera independiente o como conjunto en una red. El número de celdas solares o el tamaño del panel solar lo determina la cantidad de luz disponible, y la energía requerida.
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La cantidad de energía generada por una celda solar es determinada por la cantidad de luz que cae directamente sobre ella, lo cual a su vez está determinado por el clima y la hora del día. En la mayoría de los casos resulta necesario
almacenar
la
energía
generada, para así hacer mejor uso de las celdas solares. Es posible conectar una red o arreglo de paneles de energía solar, conformados por
celdas
solares
o
celdas
fotovoltaicas, a la red eléctrica para asistir a los paneles solares cuando la energía requerida es mayor a la energía
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generada. Estos costos pueden recuperarse al vender los excedentes de energía producidos a la compañía eléctrica. Las celdas solares generalmente esta hechas a base de silicón, el mismo material que se utiliza para transistores y circuitos integrados. El silicón es tratado para que cuando le llegue la luz, se liberen los electrones, generando una corriente eléctrica.
Celdas solares amorfas
La tecnología amorfa es comúnmente utilizada en los paneles solares pequeños, como en las calculadoras y lámparas de jardín, aunque cada vez son más usadas para paneles de mayor tamaño. Están conformadas de una película de Silicon depositada sobre otra lámina de materiales como el acero. El panel se forma de una sola pieza y las celdas individuales no son tan visibles como en otro tipo de paneles.
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La eficiencia de los paneles solares de celdas amorfas no es tan alta como la de aquellos paneles conformados por celdas solares individuales.
Celdas solares cristalinas
Las celdas solares cristalinas se interconectan unas con otras para formar paneles solares. Cada celda solar produce un voltaje individual de 0.5 a 0.6 volts, se requieren 36 celdas solares o celdas fotovoltaicas para producir un circuito abierto de cera de 20 volts. El cual es suficiente para cargar una batería de 12 volts. Las celdas solares mono cristalina, se cortan de una sola pieza de cristal de silicón, mientras que las celdas solares poli cristalinas se hacen a base de múltiples cristales.
2.2.3 Almacenamiento de Energía El almacenamiento de energía comprende los métodos que tiene la humanidad para conservar en la medida de lo posible una cierta parte de la electricidad se almacena en las pilas es decir es energía almacenada de cierta cantidad en cualquier forma, para liberarla cuando se requiera en la misma forma en que se recolectó o en otra diferente. Las formas de energía pueden ser energía potencial(gravitacional, química, elástica, etc.) o energía cinética. Muchos sistemas mecánicos funcionan almacenando energía y consumiéndola lentamente: un ejemplo es el reloj mecánico que almacena en el muelle la energía para ir consumiéndola vía un regulador. En un ordenador los condensadores existentes en un chip almacenan la energía suficiente para que al volver a encenderse tengan la memoria de algunas de las funciones previas. Incluso los alimentos son una forma que la naturaleza tiene de almacenar la energía procedente del Sol.
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2.2.4 Objetivo de los autos solares Si se entiende un automóvil solar como aquel vehículo que es impulsado únicamente por celdas fotovoltaicas, entonces los automóviles solares no son los que se estarán conduciendo en un futuro, ya que en realidad no son nada prácticos, son excesivamente caros, complicados, frágiles y aún en el caso de que se lograran obtener celdas solares con 100 % de eficiencia, la energía que podría captar un vehículo de tamaño regular sería muy poca para cubrir las necesidades de transporte actuales, además de que la luz solar no siempre está presente. La verdadera importancia de un automóvil solar no radica pues en un futuro transporte comercial, sino en lo siguiente: *Un automóvil solar es un verdadero proyecto de investigación y desarrollo de adelantos tecnológicos en aerodinámica, materiales, fotoceldas, electrónica, motores, baterías y llantas, que pueden ser posteriormente aplicados a los vehículos eléctricos para hacerlos competitivos frente a los vehículos de combustión interna y acelerar así, su aceptación en el mercado. Se debe recordar que una gran parte de los avances tecnológicos incorporados hoy en los vehículos de combustión interna, que nos transportan cotidianamente, fueron desarrollados en prototipos para competencias automovilísticas. • Un automóvil solar, resalta los términos "eficiencia" y "energía solar" de una manera
por demás atractiva, lo que ha provocado un efervescente interés por estos términos entre los ingenieros. El automóvil solar, es capaz de recorrer enormes distancias y viajar a una velocidad promedio de 70 km/h con una potencia menor a 1 kw, potencia equiparable a aquélla que se podría encontrar en cualquier aparato electrodoméstico, como un secador de pelo. La idea de realizar grandes cantidades de trabajo utilizando muy poca potencia, es exactamente lo que se entiende por eficiencia. Esto se logra, gracias a que el auto solar utiliza en su construcción materiales súper ligeros y resistentes como lo son el Kevlar y la fibra de carbono a manera de sandwich con panal de abeja de fibra de aramida, logrando así obtener el menor peso para una estructura con una resistencia que cumple con los requisitos de seguridad, también, se reducen al máximo las pérdidas mecánicas por fricción en rodamientos, y en la transmisión, se tiene una forma aerodinámica de muy bajo coeficiente de arrastre, se
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reducen también las pérdidas en la electrónica usando componentes de calidad y diseñando circuitos que manejen una adecuada relación voltaje-corriente y se utilizan llantas especiales para reducir la resistencia al rodamiento. El intentar reducir el peso, las pérdidas aerodinámicas, las mecánicas y las electrónicas es lo que hacen de este "laboratorio" un hervidero de tecnología.
Por último, un auto solar no solamente es una excelente propaganda para la eficiencia y el uso de la energía solar, sino también para la ingeniería como una verdadera opción para los estudiantes de preparatoria, y esto es muy importante, ya que el ingeniero es un recurso humano fundamental para el desarrollo industrial y económico de México. ¿Cómo Funciona un Auto Solar? 1- La energía del Sol se convierte directamente en electricidad por las celdas solares. 2.- Esta electricidad es almacenada en baterías. 3.- Un controlador recibe la energía de las baterías y mueve un motor eléctrico que por medio la transmisión mueve las ruedas. El piloto dentro de la cabina tiene los elementos básicos que hay en cualquier otro auto, como son, volante, acelerador y freno. Lo único que no tiene es un "clutch" o embrague, ya que un auto solar no necesita caja de velocidades. PRIMER AUTO SOLAR DE CARRERAS MEXICANO TONATIUH. TONATIUH fue ideado, diseñado y construido totalmente en México, por profesionistas mexicanos y fue financiado por importantes empresas e instituciones del país como IUSA, SEP, NAFIN, IIUNAM, TMM, Australia New Zealand Direct Line, AT&T, Malaysia Airlines, Dayama Tupperware, Automotores de Satélite, Standox, Tame Composite Division, la Universidad Nuevo Mundo, Mexicana de Aviación, Industrias Murrel, CONAE, Fluke-Mexel, Radio Surtidora, DAESA, Hugo Herrera agencia aduanal, YMCA, Signum, Velox, Xcaret, Ramada Hotel, SKF, SuperNet , Acer de México y Comesa
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El diseño corrió a cargo del Dr. Jaime Gómez de Silva. A mediados de 1993 se empezó a fabricar el modelo escala 1 a 1 hecho con una estereotomía de madera, cubierta con espuma de poliuretano y rellenador plástico automotriz. De este modelo se sacaron los moldes en fibra de vidrio y resina epóxica con carga de aluminio. En mayo de 1994 se llevaron los moldes a TAME, empresa mexicana que cuenta con las instalaciones y el conocimiento necesario para trabajar las fibras compuestas como el Kevlar y la fibra de carbono. Aproximadamente 6 meses después se terminó el chasis y carrocería del auto solar. A finales de 1994 se empezaron a instalar en paralelo los diferentes sistemas, como el sistema mecánico compuesto de suspensión delantera y trasera, transmisión, dirección y frenos., el sistema eléctrico, compuesto de Pánel Solar, Rastreadores de Potencia Pico, baterías, controlador, motor, telemetría e instrumentación. TONATIUH, tiene las siguientes especificaciones: Longitud:............................5.90 m. ancho:.................................2.12 m Altura:.................................1 m Distancia entre ejes:.......... 3.10 m Distancia entre ruedas:..... 1.95 m Distancia al piso:................ 12 cm Peso sin piloto:................... 480 Kg Chasis y Carena:............... Tipo monocasco hechos de Kevlar pre-impregnado a manera de sándwich con panal de abeja de fibra de aramida y reforzados con fibra de carbono pre-impregnado. La carena puede rotar con respecto al chasis. Parabrisas:......................... Policarbonato termoformado Rin delantero:.................... Aluminio de 26" x 1.5" Rin trasero:........................ Acero de 17" x 2" Llantas delanteras:............ Avocet de 26" x 1.5", sin dibujo a 90 psi
24
Llanta trasera:................... Michelin de 17" x 2", sin dibujo a 90 psi Frenos:................................ Hidráulicos de disco en las tres ruedas. Suspensión delantera:........ Doble brazo en A. Amortiguamiento por epoxifibra. Suspensión trasera:............ Brazo y amortiguador. Cámber:............................... 0° Cáster:.................................. 0° Convergencia:...................... 0° Dirección:............................ Piñon y cremallera. Transmisión:........................ Cadena Motor:.................................. C.D. de imán permanente sin escobillas. Uniq Mobility DR086s. 3.5 Kw, 100 V, 5500 RPM máximas sin carga. 4 Kg Controlador:........................ Unique Mobility CR10-100 con freno regenerativo. 12 Kg Baterías:................................ 7 baterías Delco Remy de plomo ácido de 19 Kg, 56 Ah y 12 V c/u, conectadas en serie. Panel solar:............................ 852 celdas Kyocera de silicio policristalino, grado terrestre de 13% de eficiencia y 100 cm2 c/u. Substrato curvo orientable de 4 m de largo por 2.12 de ancho con un área total de 8.5 m2. Adehesivo y recubrimiento: silicón Dow Corning. Diodos de paso ECG580. Arreglo: 4 módulos conectados en paralelo de 213 celdas en serie c/u. Vca=130, Icc=12 A, potencia máxima=900 W
2.3 Marco legal
25
Sección segunda Del medio ambiente
Art. 86.- El Estado protegerá el derecho de la población a vivir en un medio ambiente sano y ecológicamente equilibrado, que garantice un desarrollo sustentable. Velará para que este derecho no sea afectado y garantizará la preservación de la naturaleza. Se declaran de interés público y se regularán conforme a la ley: 3. La preservación del medio ambiente, la conservación de los ecosistemas, la biodiversidad y la integridad del patrimonio genético del país. 4. La prevención de la contaminación ambiental, la recuperación de los espacios naturales degradados, el manejo sustentable de los recursos naturales y los requisitos que para estos fines deberán cumplir las actividades públicas y privadas. 5. El establecimiento de un sistema nacional de áreas naturales protegidas, que garantice la conservación de la biodiversidad y el mantenimiento de los servicios ecológicos, de conformidad con los convenios y tratados internacionales
CAPÍTULO III 3. Marco metodológico
26
3.1 Enfoque metodológico 3.1.1 Técnicas e instrumentos a emplear. Fase
Técnica
Instrumento
Investigación
Internet
Considerar puntos de
Cuestionario
vista Diagnóstico
Producto Información que sustente el planteamiento del problema del proyecto propuesto Comprobar el buen planteamiento del problema Información necesaria sobre nuestro
Cuestionario
Encuesta a los estudiantes
Investigación
Internet y Bibliotecas
Considerar puntos de
Cuestionario dirigido a los
Verificar el planteamiento del Marco
vista
estudiantes
teórico y Marco conceptual.
Investigación
Internet
Información sobre ventajas y desventajas
Encuesta
Cuestionario
Análisis
Tabulación de resultados
Considerar puntos de
Cuestionario dirigido a los
vista
estudiantes
Considerar puntos de
Cuestionario dirigido a los
Presentación de ideas para la aprobación
vista
estudiantes
del proyecto a realizar
Investigación
Internet, terceras personas
proyecto Información extra para comprender el tema que tratamos
Verificar si la solución planteada resuelve una problemática en la sociedad
Tiempo Dos días
Tres días
Una semana Tres días
Dos días
Dos días
Un día
Planteamiento
Investigación
Tiendas electrónicas y carpinterías
Resultados Planificación Planificación
Obtener los resultados Verificar si la información obtenida es suficiente para la puesta en marcha de la
Materiales que necesitaremos para la elaboración del carro a escala Costos Primeros avances en la construcción del
obtenida
carro a escala
Presentación
obtenida Diapositivas
Un día
creación del carro a escala
Información previamente Información previamente
Un día
Culminación del carro a escala Documento y la elaboración del carro a escala finalizado
Un día
Un día Un día Dos días Una semana Un día.
3.1.2 Plan de Acción
27
Actividades a realizar Investigar sobre el problema que vamos a tratar Realizar un cuestionario Investigar sobre las celdas solares Investigar sobre el uso de las pilas y baterías
Información a obtener Sustentación del problema propuesto
Medios de registro de información Digital.- Resumen de lo investigado
Comprobar que el planteamiento del
Digital.- Resumen de lo
problema es factible
investigado
Información extra Ventajas y Desventajas
Digital.- Resumen de lo investigado
obtenidos.
sociedad
sociedad
proyecto
encuesta Investigar sobre los materiales necesarios Investigar costos Planificar la construcción del prototipo Planificar la construcción del carro a escala Presentación
Obtener la lista de materiales La cantidad a gastar Empezar la elaboración
Internet
investigado Físico.- Documento total del
Resultados
Estudiantes
Datos previamente
Obtener sustentación por parte de la
datos resultantes de la
Internet
Digital.- Resumen de lo
Realizar una encuesta a la Realizar la tabulación de los
Recursos
Físico.- Documento total del proyecto.
Internet
Internet
Físico.- Documento total del
Encuestas y datos
proyecto.
obtenidos
Físico.- Documento total del
Datos previamente
proyecto.
obtenidos
Físico.- Documento total del proyecto.
Carro a escala terminado
Físico.- Maqueta
Calificación
Físico
Datos obtenidos Datos obtenidos Toda la investigación
3.1.3 Plan de Trabajo
28
Fase /Actividad 1: DIAGNÓSTICO
Estrategia de aprendizaje
Actividad/
Ejes
tarea
trasversales
Recursos
Responsables
Tiempo y Fechas
Investigar Tipos de
sobre el
lectura
problema que
Internet
EQUIPO 1,2,3,4,5,6
vamos a tratar Procesos de expansión y
Realizar un
contracción
cuestionario
Estudiantes
EQUIPO 1,2,3,4,5,6
de ideas Investigar sobre las Esquemas de contaminación
Internet y
EQUIPO
organización
Bibliotecas
1,2,3,4,5,6
causada por las pilas y baterías
Procesos de expansión y contracción de ideas
Investigar sobre las celdas solares
Estudiantes
EQUIPO 1,2,3,4,5,6
Fase /Actividad 2: PLANTEAMIENTO
29
Estrategia de
Actividad/
Ejes
aprendizaje
tarea
trasversales
Proceso de expansión y contracción de ideas Proceso de expansión y contracción de ideas Lectura Crítica y Esquemas de Organización.
Recursos Responsables
Investigar ventajas y
Internet
desventajas Realizar una encuesta
1,2,3,4,5,6
Cuestionari
EQUIPO
o
1,2,3,4,5,6
Datos
tabulación
arrojados
EQUIPO
de
por las
1,2,3,4,5,6
resultados
encuestas
Considerar
contracción de
puntos de
ideas
vista
Fechas
EQUIPO
Realizar la
Expansión y
Tiempo y
Criterios por parte
EQUIPO
de los
1,2,3,4,5,6
estudiantes
30
Fase /Actividad 3: RESULTADOS
Procesos de expansión y
Actividad/
Ejes
contracción
tarea
trasversales
Recursos
Responsables
Estudiantes
EQUIPO 1,2 y 3
Internet
EQUIPO 1,2 y 3
Tiempo y Fechas
de ideas Considerar Organización
puntos de vista
Tipos de
Realizar una
lectura
investigación
Esquemas de
Investigar
organización
costos
Tiendas de materiales electrónicos
EQUIPO 1,2,3,4,5,6
Planificar la puesta en Planificación
marcha de la construcción
Datos de la investigación
EQUIPO 4, 5 y 6
de la maqueta Planificar la Planificación
puesta en marcha de la elaboración
Información previamente EQUIPO 4, 5 y 6 obtenida Reunión de
Reflexión y
Presentar el
datos de
EQUIPO
Resultados
proyecto final
toda la
1,2,3,4,5,6
investigación
31
3.1.4 Tiempo estimado
Matriz de control del Proyecto Fase/ Act.
Programación Semanal
Responsable
Descripción 1
2
3
4
5
6
Tiempo y fecha
7
1°
DIAGNÓSTICO
7 Horas
2°
PLANIFICACIÓN
10 Horas
3°
RESULTADOS
15 Horas
Elaborado por : Grupo
Firma:
Fecha:
CAPITULO IV 32
4 Propuesta del proyecto 4.1 Estudio diagnóstico Mediante la temática del proyecto se llegó a la conclusión de que la sociedad es consciente del daño que provocan las pilas y baterías al medio ambiente así como la quema desmedida de combustibles fósiles, sin embargo no buscan alternativas ecológicas para reducir dicha contaminación, olvidando que se pueden utilizar otras fuentes de energía como la luz solar la cual es inagotable. El tema integrador (LA NATURALEZA Y EL MEDIO AMBIENTE) tiene la finalidad analizar los problemas sociales que ocurren en la medida que la ciencia y tecnología avanza, proponiendo posibles soluciones dirigidas al desarrollo integral de los estudiantes del CETIS 5. Demostrando las capacidades de los estudiantes y manifestando que se puede dar apertura al avance tecnológico implementando técnicas no dañinas para el medio ambiente.
4.2 Factibilidad Tomar conciencia del daño ocasionado al ecosistema
no es suficiente
para
salvaguardar el entorno en cual se desarrolla el ser humano, es por ello que se está poniendo en práctica un método para obtener energía, ya propuesto anteriormente; pero que no ha tenido la importancia necesaria para ser implementada en la sociedad. La implementación de una célula fotovoltaica en un carro a escala es una pequeña muestra de lo que se puede realizar para reducir contaminación que cada día se va incrementando causando daños irreversibles al planeta. Este proyecto es factible realizarlo debido a que se utiliza un medio natural para obtener energía, el cual no tiene costo, ni una limitación para su uso, además se lo elabora de forma artesanal utilizando materiales reciclados .
4.3 Diseño de la propuesta
33
Dado que es factible la elaboración del proyecto, se ha decidido construir el carro a escala que tiene como finalidad demostrar el funcionamiento del mismo mediante el uso de energía solar transformada en energía eléctrica con la ayuda de una celda fotovoltaica. Dando a conocer el objetivo principal del proyecto. 4.3.1 Materiales (Propuestos)
Madera MDF de 90X60 cm
Cautín tipo lápiz
Celda Fotovoltaica de 6 Voltios
Multímetro
Cinta para aislar
Botella de plástico
Tapas de Refresco
Palillos
Silicón
Pegamento
Papel
Tornillos
Desarmador
Pintura para madera
Laca transparente brillante
4.4 Aplicación práctica de la propuesta 4.4.1 Procedimiento
Adquirir un formato para desarrollar el boceto del carro (Anexo 1)
34
Una vez plasmada la idea en papel, comenzaremos por diseñar la base del coche, tomando en cuenta que será el soporte del motor así como de los engranes y el interruptor.
Procedemos a soldar los componentes del circuito tomando como punto inicial la celda fotovoltaica (respetando la polaridad).
Para realizar una soldadura correcta es necesario prestar atención a los siguientes pasos
35
Después de soldar la celda fotovoltaica tomaremos el polo negativo y lo soldaremos al motor, y el positivo el interruptor generando un puente que terminara en el polo positivo del motor, quedando de la siguiente forma.
El diseño de la carrocería del carro dependerá de los integrantes de cada equipo.
4.4.2 Cálculos Revoluciones por minuto (RPM)
180 RPM =
=
60 1 2 = 6,283 60 1 =
36
Para obtener la potencia del motor. = .
=
= 0.8 9,8
= 7,84 []
=. = ; =
= 7.84 [] 0,015 = 0,1176 []
=. = = = 6,283
0,1176[ ]
= 1,914
Velocidad del carro. = =
=
15 18,7
= 0,80
Aceleración del carro. =
= 0
=
− ∆ ∆
0,80 ⁄ = 18,7
= 0,04
37
4.4.3 Tabla de velocidad y aceleración del carro
TIEMPO 2.34 s 6.2 s 12.5 s 18.7 s
DISTANCIA 1m 5m 10 m 15 m
VELOCIDAD 0.42 m/s 0.806 m/s 0.8 m/s 0.802 m/s
ACELERACI N 0.17 m/s2 0.13 m/s2 0.064 m/s2 0.042 m/s2
4.4.4 Tabla de desaceleración del carro
TIEMPO QUE DURA LA DESACELERACIÓN 1.29 s 2.35 s 3.73 s 4.2 s
DISTANCIA QUE DESACELERA
DESACELERACIÓN
48.7 cm 1.29 m 1.42 m 1.54m
0.0882 m/s2 0.0649 m/s2 0.032 m/s2 0.0214 m/s2
38
