DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TÚNEL DE VIENTO SUBSÓNICO DE CIRCUITO ABIERTO
NATALIA RONCANCIO SILVA, ALEJANDRO REYES MONCADA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN FÍSICA BOGOTÁ D.C
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TÚNEL DE VIENTO SUBSÓNICO DE CIRCUITO ABIERTO
NATALIA RONCANCIO SILVA, ALEJANDRO REYES MONCADA
DIRECTOR:
Dr. JOSÉ MANUEL FLOREZ PEREZ
Trabajo de grado presentado como requisito parcial para obtener el título de Licenciado (a) en Física
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN FÍSICA BOGOTÁ D.C
Nota de aceptación
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Nombre:
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Nombre:
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Nombre: Jurado
RESUMEN
Con el fin de brindar una alternativa para la enseñanza y comprensión del concepto de capa
límite en educación media y superior, se realizó una propuesta experimental basada en el
enfoque CTSA (Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente) el cual incorpora tres campos de
estudio (deportivo, aerodinámico y arquitectónico), cada campo incluye distintas prácticas
basadas en situaciones particulares de la mecánica de fluidos, empleando un prototipo de túnel
de viento previamente diseñado y construido.
El túnel de viento desarrollado e implementado para este fin, se realizó con material de bajo
costo, lo cual facilita el acceso de este equipo a instituciones educativas con pocos recursos
económicos. De otro lado, es importante mencionar que durante la implementación de las
experiencias de aula con ayuda del material desarrollado, se hizo uso de nuevas tecnologías, lo
que representó un interés creciente y dinámico del estudiantado en el uso de la herramienta
pedagógica propuesta.
En este trabajo se presenta el desarrollo e implementación del túnel de viento para mejorar
procesos de enseñanza - aprendizaje en el aula, en el área de mecánica de fluidos, el cual, es de
gran interés académico por la multiplicidad de aplicaciones que presenta.
Palabras Clave:
Enseñanza, comprensión, capa límite, túnel de viento, desarrollo,ÍNDICE
Pág.
1. INTRODUCCIÓN………... 6
2. OBJETIVOS………. 7
3. CONCEPTOS AERODINÁMICOS...8
3.1 Definición del túnel de viento……….. 8
3.2 Antecedentes del concepto de capa límite………8
3.4 Números de Reynolds………...9
4. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL TÚNEL DE VIENTO………...14
4.1 Secciones del túnel………14
4.1.1 Difusor………. 14
4.1.2 Cámara de pruebas………....16
4.1.3 Cámara de contracción……….16
5. IMPLEMENTACIÓN DEL TÚNEL DE VIENTO……….19
5.1 Encuesta previa a la implementación……….19
5.2 Enfoque CTSA (Ciencia, Tecnología, Sociedad y Ambiente)………23
5.3 Metodología………24
5.4 Prácticas experimentales………...25
5.4.1 Práctica 1………25
5.4.2 Antecedentes teóricos………29
5.4.3 Práctica 2………... 31
5.4.4 Antecedentes teóricos………...33
5.4.5 Práctica 3………35
6. CONCLUSIONES………....39
7. BIBLIOGRAFÍA………..40
8. ANEXO 1………...42
9. MANUAL DE USUARIO………...43
1. INTRODUCCIÓN
En la educación secundaría y media la enseñanza de conceptos relacionados con la mecánica
de fluidos en muchas ocasiones se fundamenta en un ámbito teórico, disociado del experimental,
ya sea por la escasez de instrumentos científicos o por la elección del docente. Por otra parte, el
uso inadecuado de las prácticas de laboratorio deteriora el aprendizaje inductivo, ya que la
realización de los experimentos se basa en el seguimiento literal de una guía propuesta por el
docente a cargo. En términos generales, “el uso de la experimentación es eficaz, siempre y
cuando se planteen como investigaciones en torno a problemas” (Carrascosa, 2006, p.4).
El trabajo realizado propone una alternativa para la enseñanza- aprendizaje del concepto de
capa límite por medio del enfoque CTSA (ciencia, tecnología, sociedad y ambiente). La
propuesta abarca situaciones problema de gran importancia para la sociedad, las cuales
incorporan el concepto de capa límite (infraestructura de puentes colgantes, goles que han
marcado la historia del futbol y el diseño de alas de aviones). Las prácticas establecidas para
cada situación problema contribuyen a la tecnología en la educación con la implementación de
un túnel de viento previamente diseñado y construido, aplicaciones de Smartphone como
herramientas para una visualización del movimiento de objetos, simulaciones del
comportamiento de fluido respecto a diversos objetos inmóviles a través de software (Comsol
Multiphysics 5.3, Autodesk Inventor Professional 2016 y CFD Autodesk 2016) y la
incorporación de dispositivos electrónicos para fortalecer una visualización ideal del fluido.
El proyecto radica en buscar la motivación y el interés hacia el conocimiento científico por
parte de la juventud, ya que por una encuesta previa a la implementación de la propuesta los
estudiantes dieron a conocer sus opiniones frente a la física, las cuales evidencian que la
enseñanza del área es totalmente desprovista de herramientas que busquen la comprensión de
2. OBJETIVOS
Objetivo General:
Diseñar y construir un túnel de viento para la enseñanza y comprensión del concepto de capa límite en estudiantes de undécimo grado.
Objetivos Específicos:
1. Realizar el diseño y construcción de un modelo del túnel de viento, como instrumento primordial para el desarrollo de las prácticas.
2. Diseñar una propuesta experimental con una estructura que genere motivación por parte de los estudiantes en el aprendizaje de temas relacionados con mecánica de fluidos.
3. Desarrollar una propuesta experimental de libre acceso en la cual estudiantes y docentes puedan realizar diversas contribuciones.
4. Implementar actividades basadas en la aplicación del concepto de capa límite en diversas áreas de conocimiento.
5. Documentar los resultados obtenidos al implementar la propuesta a estudiantes de undécimo grado de una institución educativa privada de la ciudad de Bogotá.
3. CONCEPTOS AERODINÁMICOS.
3.1 Definición del Túnel de Viento.
Un túnel de viento es un instrumento importante para diversos campos del conocimiento
(mecánica y dinámica de fluidos). Gracias a la construcción de este instrumento se puede llevar
a cabo un estudio detallado del fluido de manera cualitativa y cuantitativa respecto a diversos
objetos inmóviles.
“Aunque hay muchas familias de túneles de viento, en general pueden definirse como conductos
que llevan en alguna parte de su trayecto un ventilador accionado por un motor, que se encarga
de que el aire fluya de manera constante a través del cuerpo del mismo” (Silva, 2005, p 18)
En algunas instituciones de educación media y superior los dispositivos de este tipo son
escasos. Un profesor del Departamento de Física de la Universidad Nacional afirma:
“Yo no quería construir un túnel muy grande para evitar riesgos, porque no sabíamos
exactamente que íbamos a obtener, así que la idea fue hacer un túnel pequeño, de bajo costo. En
total, tuvo un costo aproximado de 6 millones de pesos” (Martínez, 2011)1.
3.2 Antecedentes del Concepto de Capa Límite.
La hidromecánica posee dos ramas de gran importancia en la historia de la ciencia (la hidrodinámica clásica y la hidráulica). La hidrodinámica clásica se basa en un enfoque
puramente teórico, el cual estudia los fluidos sin rozamiento y está caracterizado por las
ecuaciones de Euler-; diferente de la hidráulica, definida como la rama científica que estudia los
fluidos con rozamiento, fundamentada por las ecuaciones de Navier - Stokes e imprescindible del
conocimiento empírico.
Desde finales del siglo XIX se evidenció una separación crucial entre la teoría y la práctica en
el estudio de los fluidos sin rozamiento, ya que se presentaban diversos aspectos contradictorios
de dicha teoría con la práctica, especialmente con la resistencia de los fluidos al movimiento de
los cuerpos. (Schlichting, 1972, p.23)
Sin embargo se le retribuye a Prandtl el éxito de trabajar la teoría junto con la práctica,
de la siguiente manera: Una alrededor del cuerpo en la que el rozamiento es fundamental y la
otra consta del resto del fluido en el que no se tiene en cuenta el rozamiento. Por otra parte,
fundó sus contribuciones en algunas características por las cuales difieren los flujos ideales de
los reales que están basadas en la existencia de diferentes tipos de fuerza presentes en un flujo
que actúa respecto a un objeto inmóvil.
La presencia de las fuerzas (viscosa, elástica, gravitacional), igualmente la presión y temas
propios de la termodinámica están implícitos en el concepto de capa límite, por lo cual es
indispensable definir muchos de estos de manera puntual considerando la inminente necesidad de
que estudiantes de secundaria puedan familiarizarse con los modelos definidos para la
comprensión de la ideas propuestas por Prandtl respecto a este concepto.
3.3 Ecuación de Euler.
La ecuación de Euler permite utilizar la segunda ley de Newton para determinar la aceleración de cualquier elemento infinitesimal de fluido incorporando un concepto fundamental que es el de
presión. Considerando al fluido como un medio continuo y logrando establecer las leyes que
rigen el movimiento de los fluidos ideales.
Al considerar el movimiento de un elemento de fluido:
Figura 1. Vector posición y diferencia de presión para un elemento de fluido.
De donde:
𝑟⃗ (𝑡) = 𝑣𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡 𝑟⃗ (𝑡 + ∆𝑡) = 𝑣𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑢𝑛 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑡 + ∆𝑡
Aplicando las leyes de Newton para el elemento de fluido:
𝑑𝑚 𝑑𝑣⃗
𝑑𝑡 = 𝑑𝐹⃗⃗⃗⃗ + 𝑑𝐹𝑝 ⃗⃗⃗⃗ (1)𝑔 Las fuerzas que actúan sobre el elemento de fluido son:
𝑑𝐹⃗⃗⃗⃗ → 𝑇é𝑟𝑚𝑖𝑛𝑜 𝑎𝑠𝑜𝑐𝑖𝑎𝑑𝑜 𝑎 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛𝑝
Figura 2. Diferencias de presión para un volumen infinitesimal.
𝑑𝐹⃗⃗⃗⃗ → 𝑇é𝑟𝑚𝑖𝑛𝑜 𝑎𝑠𝑜𝑐𝑖𝑎𝑑𝑜 𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑠 (𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑)𝑔
Reescribiendo la ecuación (1) en términos de la densidad, se tiene,
𝜌 𝑑𝑉𝑑𝑣⃗
𝑑𝑡 = 𝑑𝐹⃗⃗⃗⃗ + 𝑑𝐹𝑝 ⃗⃗⃗⃗ (2)𝑔
Así, la velocidad 𝑣⃗ (𝑥 (𝑡), 𝑦 (𝑡), 𝑧 (𝑡), 𝑡), varía con el tiempo implícitamente y explícitamente.
De este modo:
𝑑𝑣⃗(𝑥(𝑡), 𝑦(𝑡), 𝑧(𝑡), 𝑡))
𝑑𝑡 =
𝜕𝑣⃗
𝜕𝑡 + (𝑣⃗. ∇⃗⃗⃗)𝑣⃗ (3)
Donde (𝑣⃗. ∇⃗⃗⃗) es un producto escalar, dado por:
(𝑣⃗. ∇⃗⃗⃗) = 𝑣𝑥𝜕𝑥𝜕 + 𝑣𝑦𝜕𝑦𝜕 + 𝑣𝑧𝜕𝑧𝜕 (4)
Si 𝑣⃗ = 𝑣𝑥 𝑖 + 𝑣𝑦 𝑗 + 𝑣𝑧 𝑘 , su derivada temporal está definida como:
𝑑𝑣⃗ 𝑑𝑡 =
𝑑𝑣𝑥 𝑑𝑡 𝑖 +
𝑑𝑣𝑦 𝑑𝑡 𝑗 +
𝑑𝑣𝑧
𝑑𝑡 𝑘 (5) Reescribiendo la ecuación (3) se tiene:
𝜌 𝑑𝑉 [(𝑣⃗. ∇⃗⃗⃗) 𝑣⃗ +𝜕𝑣⃗
𝜌 𝑑𝑥 𝑑𝑦 𝑑𝑧 [(𝑣⃗. ∇⃗⃗⃗) 𝑣⃗ +𝜕𝑣⃗
𝜕𝑡] = (−∇⃗⃗⃗𝑃)𝑑𝑥 𝑑𝑦 𝑑𝑧 + 𝜌 𝑑𝑥 𝑑𝑦 𝑑𝑧 𝑔⃗⃗⃗⃗ (7)
−1𝜌∇⃗⃗⃗ 𝑃 − 𝑔 ∇⃗⃗⃗𝑧 = 𝜕𝑣⃗⃗𝜕𝑡+ (𝑣⃗. ∇⃗⃗⃗) 𝑣⃗ (8)
Donde la ecuación (8) representa la forma diferencial de la segunda ley de movimiento de
Newton para un fluido ideal, donde no existen esfuerzos de corte.
3.4 Viscosidad.
Es un concepto relacionado con la fricción o rozamiento presente en la interfaz de diversos materiales (entre capas de fluido o entre el fluido y una superficie sólida), para lo cual se hace
una idealización del flujo en capas. Las fuerzas moleculares en el fluido son afectadas
fundamentalmente por los cambios de temperatura que sufra el sistema físico (un liquido, cuyas
moléculas dejan espacios entre ellas mucho más cerrados que las de un gas, tiene fuerzas
cohesivas mucho mayores que un gas), de este modo, la viscosidad de un gas aumenta con la
temperatura pero la viscosidad de un líquido disminuye con la temperatura. Así la cohesión
resulta ser la causa predominante de la viscosidad de un líquido o un gas y es aquella propiedad
de un fluido por virtud de la cual ofrece resistencia al corte.
3.5 Ecuaciones de Navier – Stokes.
Son un conjunto de ecuaciones que están definidas en derivadas parciales no lineales y permiten caracterizar y describir el movimiento de un fluido sea líquido o gaseoso. Estas
ecuaciones tienen una gran aplicabilidad en muchas áreas sumamente importantes al modelar
fenómenos verdaderamente complejos y permiten abarcar el caso real de un fluido con
viscosidad.
Inicialmente las ecuaciones fueron definidas de forma extensa, situación que cambió a partir
del siglo XIX cuando los matemáticos desarrollaron una notación y un método para analizar
cantidades que variaban de manera multidireccional conocido como cálculo vectorial. Esto
permitió reescribir las ecuaciones de Navier - Stokes de forma más compacta: 𝜕𝑢⃗⃗
𝜕𝑡 + (𝑢⃗⃗ . ∇)𝑢⃗⃗ = 𝑣∆𝑢⃗⃗ − ∇𝑃 + 𝑭 𝑆𝑖 ∇. 𝑢⃗⃗ = 0 (9) Donde
𝑃 → 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑞𝑢𝑒 𝑎𝑐𝑡ú𝑎 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑭 = (𝑓𝑥 , 𝑓𝑦 , 𝑓𝑧) → 𝐶𝑎𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑎𝑐𝑡ú𝑎𝑛 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜.
De no existir fuerzas externas la ecuación (1) puede escribirse como:
𝜕𝑢⃗⃗
𝜕𝑡 + (𝑢⃗⃗ . ∇)𝑢⃗⃗ = 𝑣∆𝑢⃗⃗ − ∇𝑃 𝑝𝑎𝑟𝑎 ∇. 𝑢⃗⃗ = 0 (10)
Se espera que las soluciones para estas ecuaciones satisfagan ciertas propiedades con
regularidad para que sean soluciones físicamente plausibles, para lo cual deben imponerse
restricciones sobre las condiciones iniciales y las fuerzas involucradas.
3.6 Número de Reynolds.
Es un parámetro que permite establecer una comparación entre la influencia de las fuerzas inerciales sobre las fuerzas viscosas o viceversa, resultando un valor adimensional que
caracteriza el tipo de flujo que se presenta (laminar o turbulento).
Figura 3. Influencia de la viscosidad sobre capas superficiales de un elemento de fluido en movimiento.
La fuerza existente entre dos capas de fluido en relación a su superficie puede definirse como: 𝐹𝑉
⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑆 = 𝜂
𝑑𝑣⃗
𝑑𝑧 (11) Dónde:
𝐹𝑉
⃗⃗⃗⃗⃗𝑅𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑙𝑎𝑠 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎𝑠 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑎𝑠. 𝜂𝑅𝑒𝑝𝑟𝑒𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑.
Se compara esta fuerza viscosa con otra que permita establecer que fuerza resulta dominante en el arrastre del fluido.
Como (11) es una fuerza que tiene la tendencia de llevar el fluido al reposo, entonces resulta útil compararla con una fuerza que esté definida por la inercia de un elemento infinitesimal de fluido. Así:
𝐹𝐼 ⃗⃗⃗⃗
𝑆 =
𝑚𝑎
𝑆 (12)
Si 𝜌 =𝑚𝑉, entonces:
𝑚 = 𝜌 𝑉 (13) 𝑚 = 𝜌 𝑆 𝑑𝑧 (14)
De modo que:
𝐹𝐼 ⃗⃗⃗⃗
𝑆 =
𝜌 𝑆 𝑑𝑧𝑑𝑣⃗
𝑆 𝑑𝑡 (15)
Si 𝑑𝑧𝑑𝑡 = 𝑣⃗⃗⃗⃗𝑧 (Velocidad perpendicular), entonces:
𝐹𝐼 ⃗⃗⃗⃗
𝑆 = 𝜌𝑣⃗⃗⃗⃗𝑑𝑣⃗ (16)𝑧 Comparando las fuerzas:
𝐹𝐼 ⃗⃗⃗⃗ 𝑆 𝐹𝑉 ⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑆 = 𝜌𝑣⃗⃗⃗⃗𝑑𝑣⃗𝑧 𝜂 |𝑑𝑣⃗𝑑𝑧| (17)
Simplificando la ecuación (17) se obtiene el parámetro adimensional introducido por Osborne
Reynolds en 1883:
𝑅𝑒 =𝜌𝑣𝑧𝑑𝑧
𝜂 (18)
La constante de Reynolds permite asociar la inercia que da la tendencia al fluido de seguir en
movimiento sin importar la presencia de obstáculos en su trayectoria comparado con la
capacidad del fluido de evitar los obstáculos en su trayectoria.
De este modo, en cuanto mayor sea la influencia de alguna de estas fuerzas sobre la otra, dará
Así:
𝑅𝑒 =𝜌𝑣𝑧𝐷
𝜂 (19)
Donde D reúne la información respecto a las dimensiones y el tamaño del capilar. Resultando
en que para Re >> 1, se tiene turbulencia y para Re<<1 se obtiene laminaridad en el flujo. Es
importante tener en cuenta que los valores estándar de este número pueden variar en términos del
tipo de conducto por el que fluye el fluido en cuestión, su densidad (compresible o
incompresible) , su viscosidad (dinámica y cinemática) y la velocidad media con que viaja.
4. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL TÚNEL DE VIENTO
4.1 Secciones del Túnel de Viento.
Para diseñar un túnel de viento es indispensable seleccionar con anterioridad la clasificación basados en su arquitectura, tamaño y velocidad. Teniendo en cuenta los amplios costos que
implican la construcción de una categoría particular, se seleccionó un túnel de viento
bidimensional de circuito abierto por succión, compuesto por tres piezas primordiales para un
adecuado funcionamiento. El modelo diseñado se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Partes de un túnel de viento bidimensional de circuito abierto por succión.
4.1.1 Difusor.
Tiene como función equilibrar la presión del flujo de aire al interior de la cámara de pruebas, es indispensable tener en cuenta que el comportamiento del flujo al interior del difusor depende
de su geometría.
“La mayoría de los conocimientos sobre los difusores es totalmente empírica, por lo que son
sensibles a errores de diseño”
A continuación se muestra la secuencia de diseños realizados:
a) b)
c)
4.1.2 Cámara de Pruebas.
Es una sección del túnel de viento fundamental, ya que a través de ella se visualiza el comportamiento de flujo de aire respecto a un objeto inmóvil. Se caracteriza por estar hecha de
un material resistente y totalmente transparente. Se evidencia en la siguiente figura:
a) b)
Figura 3. a) Primera construcción de la cámara de pruebas construida en cartón paja. b) Segunda construcción de la cámara de pruebas construida en acrílico transparente.
4.1.3 Cámara de Contracción.
La cámara de contracción es una sección del túnel de viento que tiene como función acelerar el flujo logrando que el grosor de la capa límite se reduzca y, posteriormente, se dirija a la
cámara de pruebas. En uno de sus accesos (el de mayor amplitud) se ubica una rejilla de panal
para reducir al máximo las turbulencias del aire, proveniente del exterior del túnel y, garantizar
un comportamiento adecuado de la velocidad del flujo en su recorrido por la cámara de
contracción.
Para el diseño de la cámara de contracción se emplea el programa Comsol Multiphysics 5.3 el cual es un paquete de software de análisis y resolución por elementos finitos para aplicaciones
No existe un método completamente satisfactorio para el diseño de una contracción en 3
dimensiones. Lo más difícil es que cualquier contracción de dimensiones finitas tiene regiones de
gradientes de presión adversa cerca del final de las paredes, debido a la existencia de variaciones
de presiones en las paredes cerca de donde terminan las contracciones. (Silva, 2005, p. 74)
Teniendo en cuenta lo anterior, se define la geometría de la cámara de contracción por medio
de un método gráfico experimental basado en elipses tangentes en un plano cartesiano
empleando un eje de simetría, ver Figura 7.
Figura 7. Método gráfico experimental
Son utilizadas dos elipses (E1 y E2) cuyas geometrías coinciden en un punto de intersección.
Las ecuaciones de las elipses son:
𝐸
1:
𝑋2372
+
(𝑌−17,02)2
15,52
= 1
; {𝑎 = 37𝑐𝑚 (Semieje mayor) 𝑏 = 15,5𝑐𝑚 (Semieje menor)
𝑒1 = 0.91 (excentricidad)
𝐸
2:
(𝑋−49,8)222 2+
15,5𝑌22= 1
;
{𝑎 = 22𝑐𝑚 (Semieje mayor) 𝑏 = 15,5𝑐𝑚 (Semieje menor)
𝑒2 = 0.71 (excentricidad)
Estas ecuaciones poseen los parámetros geométricos necesarios para lograr que la cámara de
contracción conserve una curvatura suave y una longitud conveniente para que el flujo se
Se selecciona el área que corresponde a la sección para hacer una extrusión y obtener la pieza en
tres dimensiones.
a) b)
Figura 8. a) Área que conforma la cámara de contracción. b) Extrusión tridimensional del área.
Luego de obtener la sección en tres dimensiones se procede a realizar la simulación del flujo al
interior de la cámara de contracción para tener una referencia de su comportamiento en distintas
regiones. Para esto es necesario ajustar las condiciones iniciales del modelo que ejecuta Comsol
Multiphysics 5.3 y el mallado por elementos finitos de la estructura, teniendo en cuenta que el
tiempo de ejecución de la simulación depende de la resolución de la malla y del tipo de
procesador con que cuenta el ordenador.
a) b)
c)
Figura 9. a) Mallado de la cámara de contracción. b) Distribución de velocidades. c) Distribución de presiones.
La información arrojada por la simulación es el punto de partida para la prefabricación de la
cámara de contracción en un material que fuese de fácil manejo y bajo costo (cartón
a) b)
Figura 10. Prefabricación de la cámara de contracción. a) Vista lateral. b) Vista frontal.
Luego de someter a pruebas la cámara en su conjunto con las demás secciones, la versión
prefabricada de la cámara de contracción es replicada en un material rígido y liso (acrílico
traslúcido de 3 y 5 mm) adicionando bridas de unión en sus extremos, haciendo a la sección
acoplable.
Figura 11. Cámara de contracción terminada. a) Vista lateral. b) Sección transversal menor. c) Sección transversal mayor.
a) b)
5. IMPLEMENTACIÓN DE LA PROPUESTA EXPERIMENTAL
5.1 Encuesta previa a la implementación.
Como acción previa a la implementación de la propuesta para la enseñanza – comprensión del
concepto de capa límite, se realizó una encuesta a 60 estudiantes de undécimo grado con la
finalidad de conocer el punto de vista respecto al área de Física. A continuación se muestran las
preguntas con su respectivas graficas:
1. La física es una asignatura:
A. Difícil B. Aburrida. C. Útil. D. Inútil.
11°A (33 estudiantes) 11°B (27 estudiantes)
Figura 12. Gráficas circulares de los resultados dados en la pregunta 1.
2. Considera que la principal dificultad para comprender la física se debe a:
A. Requiere gran capacidad de abstracción. B. Requiere tener buena memoria.
C. Poca utilidad cotidiana. D. Falta de interés.
E. Metodología del docente. F. Malas bases matemáticas. G. Otra.
A 9%
B 3% C
88% D 0%
A
26% D
0% C
11°A (33 estudiantes) 11°B (27 estudiantes)
Figura 13. Gráficas circulares de los resultados dados en la pregunta 2.
3. ¿Con qué frecuencia relaciona eventos cotidianos con algunos conceptos físicos?
A. Nunca
B. Ocasionalmente C. Frecuentemente D. Siempre
11°A (33 estudiantes) 11°B (27 estudiantes)
Figura 14. Gráficas circulares de los resultados dados a la pregunta 3.
4. La aparente falta de accesibilidad en algunos temas de la física considera que pueden deberse
a:
A. La utilización de un lenguaje muy técnico. B. Se enlazan muchos conceptos.
C. El uso de una matemática compleja. D. Es confusa y contradictoria.
A 30% B 34% C 3% D 24% E 3% F 0% G
6% A 26% B 22% C 0% D 15% E 7% F 19% G 11% A 6% B 67% C 21% D
6% 7% A
Figura 15. Gráficas circulares de los resultados dados a la pregunta 4.
5. ¿Considera fundamental la realización de las prácticas experimentales?
A. Si. B. No.
11°A (33 estudiantes) 11°B (27 estudiantes)
Figura 16. Gráficas circulares de los resultados dados a la pregunta 5.
6. ¿Qué actividad en la práctica de laboratorio le interesa más?
A. El montaje de dispositivos y equipos. B. Registro de los datos experimentales. C. Análisis de datos.
D. Las conclusiones. E. Ninguna.
11°A (33 estudiantes) 11°B (27 estudiantes)
A
18% 11% B C
67% D 4% A
18%
B 3% C
70% D 9%
A 85% B
15%
A 100%
11°A (33 estudiantes) 11°B (27 estudiantes)
Figura17. Gráficas circulares de los resultados dados a la pregunta 6.
Teniendo en cuenta los resultados anteriores se evidencia que en la concepción del aprendizaje de la física para 60 estudiantes de undécimo grado es esencial la memorización y el desarrollo
de actividades experimentales para generar la comprensión de temas científicos. Es importante
destacar que al desarrollar prácticas de laboratorio en el método cotidiano, afianzadas en el
seguimiento de instrucciones dadas por el docente, los estudiantes muestran dificultad para
analizar resultados o describir cualitativamente un experimento dado incorporando conceptos
científicos, lo que significa que la implementación de laboratorios en el aula no suple la teoría y
tampoco contribuye a la comprensión de un tema si se realizan de manera inadecuada, es decir,
como el seguimiento de recetas a seguir. Por otra parte, en la física teórica estudiada en
educación media es imprescindible el uso adecuado de un andamiaje matemático amplio, lo que
en ocasiones los estudiantes consideran dificultoso por la insuficiencia de conocimiento
matemático, acudiendo a la memorización de ecuaciones y fórmulas para “comprender” la
asignatura, deteriorando el aprendizaje significativo y ocasionando una errada concepción de la
física.
5.2. Enfoque CTSA (ciencia, tecnología, sociedad y ambiente).
Es uno de los enfoques pedagógicos que permite implementar prácticas de laboratorio en el aula basadas en la solución de preguntas problema presentes en la sociedad actual contribuyendo
al conocimiento del desarrollo tecnológico, fomentando el ámbito de investigación en diversas
comunidades estudiantiles y promoviendo el interés por el conocimiento científico ya que
relaciona la cotidianidad del estudiantado con los contenidos establecidos para el área de física.
Fernández y Pires (como se citó en Pires, 2014)3
consideran que en una sociedad altamente
tecnológica como la actual, donde los avances científicos son casi diarios, la educación en
ciencias con orientación CTSA además de una exigencia, es una necesidad.
Por otra parte es indispensable generar un cambio de orientación pedagógica en instituciones
educativas de educación media para promover un pensamiento crítico con la finalidad de que los
jóvenes puedan enfrentar con seguridad problemas presentes en diversos contextos sociales y
estén al tanto de los avances tecnológicos.
5.3 Metodología.
A continuación se muestran una serie de pasos usados para la realización de las prácticas experimentales en el proceso de enseñanza – aprendizaje del concepto de capa límite, basados en
el enfoque CTSA y propuestos por Carrascosa [2] aclarando que no se sigue al pie de la letra los
10 apartados expuestos en el artículo para realizar prácticas de laboratorio con un enfoque
investigativo:
1. Dar a conocer la situación problema que se pretende estudiar por medio de un video o lectura informativa, sin tener en cuenta el argumento científico que explica la causa de tal
acontecimiento.
2. Promover la reflexión acerca de las implicaciones que tiene la existencia del problema planteado en la sociedad actual.
3. Ofrecer un espacio propicio para que en equipos de máximo 4 estudiantes planteen diversas hipótesis referentes a la problemática establecida en un inicio, incluyendo magnitudes físicas que
consideran importantes para una posible solución.
4. Con la asesoría del docente, los estudiantes debaten el procedimiento experimental o teórico que aplicarán para verificar las hipótesis, haciéndolos partícipes en el diseño y construcción de
“Conviene insistir en que resulta fundamental que los estudiantes tengan ocasión de participar en
la elaboración de diseños experimentales, en vez de seguir guías detalladas ya preparadas por los
profesores”
Se incorpora el túnel de viento como un instrumento que contribuya a las prácticas que quieran
desarrollar los estudiantes.
5. Realizar un análisis cualitativo de los resultados obtenidos y contrastarlos con las hipótesis planteadas.
6. Incorporar teóricamente el concepto de capa límite con el propósito de dar a conocer a los estudiantes la inminente necesidad de adquirir su conocimiento para explicar científicamente las
causantes que generaron la problemática estudiada, sin dejar a un lado las hipótesis planteadas
desde un inicio.
5.4. Prácticas experimentales.
5.4.1 Práctica 1: Perfiles arquitectónicos.
El concepto de capa límite prevalece en las descripciones cualitativas del comportamiento de flujo de aire respecto a diversas edificaciones. Para aplicar el enfoque CTSA se plantean
preguntas problema de gran impacto social basada en la caída de puentes colgantes, haciendo
énfasis en un suceso particular (el colapso estructural del puente de Tacoma en 1940).
Objetivo: Analizar el comportamiento de capa límite en distintos perfiles arquitectónicos de puentes colgantes y estructuras.
Preguntas problema:
- ¿Cuál es la causa que llevó al colapso del puente estructural de Tacoma?
- ¿Qué importancia tiene el conocimiento del comportamiento del fluido de aire al interior
Materiales: A continuación se muestra un listado de herramientas, las cuales pueden ser usadas con total libertad dependiendo de la práctica propuesta por cada equipo de trabajo para verificar
las hipótesis planteadas.
- Túnel de viento.
- Laser rojo (630-670 nm) o verde (532nm).
- Cámara fotográfica o Smartphone.
- Cartón paja, tijeras, regla, pegamento y lápiz.
Hipótesis:
¿Qué importancia tiene el conocimiento del comportamiento del fluido de aire al interior de una edificación?
Equipo No. Hipótesis planteadas
1
- Ver como las estructuras interactúan con el aire en su interior. - Para prevenir el acumulamiento de moléculas nocivas para la salud.
- Para observar hacia donde se mueve el aire cuando esta al interior de las edificaciones
2
Conociendo la altura de la estructura y la velocidad y densidad del aire, estos dos parámetros puede afectar la edificación ya que se ejercería una presión al edificio y dependiendo del material reaccionaria de diversas formas
3
Analogías:
- Si un médico quiere practicar una cirugía necesita saber que componentes existen en el aire.
- Al momento de disparar un arma se debe tener en cuenta el flujo de aire para que la bala no se curve y llegue a su destino.
- Al practicar paracaidismo se debe tener en cuenta el flujo de aire para tener un buen aterrizaje.
¿Cuál es la causa que llevó al colapso estructural del puente de Tacoma?
Equipo No. Hipótesis planteadas
4
- El flujo de aire modifica la tensión en las cuerdas del puente colgante.
- Los extremos del puente colgante no se quiebran ya que en ellos se encuentra el nivel de referencia y apoyo.
- Las fuerzas que ejerce el aire sobre el puente eran las mismas que las fuerzas ejercidas sobre el mar, sin embargo, como la densidad del agua es mayor que la del aire en el mar no se producen movimientos bruscos a comparación de un puente colgante.
5
- El puente no recibió viento de manera laminar, sólo turbulenta. - Las cuerdas del puente no tenían una tensión máxima.
- No existía una base en la mitad del puente que lo sujetara e impidiera su caída.
6
- Malos materiales.
- La capa de fluido externa es atraída hacia el centro de masa por la gravedad.
7
- La temperatura afecta el concreto haciendo que sea flexible parecido a la gelatina. - El centro de masa del puente era muy frágil.
Tabla 1. Hipótesis escritas por un grupo de estudiantes de undécimo grado referente a dos preguntas problema basadas en un ámbito arquitectónico.
Verificación de hipótesis: Varios equipos optaron por generar la construcción de modelos de puentes colgantes e infraestructuras en cartón paja para incorporarlos a la cámara de pruebas y
realizar una descripción detallada del flujo de aire respecto a los modelos diseñados y
construidos. Conociendo el proceso experimental que querían realizar, se les presentó diversos
perfiles arquitectónicos de algunos puentes, los cuales se muestran a continuación.
PERFILES DE SECCIÓN TRANSVERSAL
a) b)
c)
Figura 15. a) Perfil del puente sobre el Severn (Aust - Inglaterra). b) Puente de Tsing Ma (Hong Kong- China). c) Puente de Kurushima (Imabari - Japón).
Las dimensiones de cada perfil no deben superar un área de 6cm x 12cm y debe tener una base
que pueda ser perforada para anclar al motor de posición en la cámara de pruebas del túnel de
Figura 16. Perfil tridimensional en cartón paja
Resultados obtenidos. En la Fig. 8 se muestran algunos perfiles construidos por los estudiantes.
a) b)
c)
Figura 20. a) Modelo de un puente de Tsing Ma (Hong Kong- China) b) Modelo de hogar c) Modelo de puente del Severn (Aust - Inglaterra)
a) b)
Figura 21. Montaje de perfil arquitectónico en el túnel de viento. 5.4.2 Antecedentes teóricos
El colapso estructural del puente de Tacoma en 1940 sin lugar a duda resultó ser un evento
que desconcertó a la comunidad científica en cuanto a los modelos que debían ser considerados
para la puesta en marcha de un proyecto tan ambicioso para entonces. Importantes físicos e
ingenieros tomaron cartas en el asunto logrando establecer dos argumentos que aún se discuten
pero cuya base se centra en el análisis de las oscilaciones forzadas y el fenómeno de resonancia.
Los dos principales modelos que resultan motivo de debate para la explicación más acertada
del comportamiento del puente colgante en el desafortunado evento son denominados, el modelo
de resonancia no lineal y el modelo de flameo torsional.
Para conocer acerca del modelo de flameo torsional resulta útil identificar un efecto muy
interesante de la dinámica de fluidos y son los llamados vórtices de Von Karman. Consiste
fundamentalmente en el desprendimiento de la capa límite bajo determinadas condiciones de
viscosidad y factores de forma. Este desprendimiento desencadena una sucesión de vórtices que
señalan diferentes frecuencias con las que se producen y su alternancia da lugar a la existencia de
a) b)
Figura 22. Emisión de vórtices con números de Reynolds altos y bajos: a) Re = 10.000 (fotografía de Thomas Corke y Hassam Nagib); b) Re = 140 (fotografía de Sadatoshi Taneda). [5]
Inicialmente este efecto fue obtenido con perfiles cilíndricos, no obstante se han logrado
resultados similares que concluyen con la idea de que la forma del perfil no es un factor
dominante en el desarrollo de la calle de vórtices. Además este fenómeno puede extenderse
desde escalas muy pequeñas hasta escalas mayores como por ejemplo en corrientes atmosféricas.
Von Karman y sus colaboradores en un informe detallado sobre el colapso del puente colgante
definieron que existía un fenómeno denominado “Negative Damping” (amortiguamiento negativo), el cual está relacionado con el llamado “flameo”. En este flameo se desarrolla una
inestabilidad aerodinámica que vincula distintas fuerzas (elásticas, amortiguadoras, inerciales,
aerodinámicas).
El modelo de flameo plantea la posibilidad oscilaciones por flexión y por torsión, de modo que
para el análisis torsional las primeras son despreciables. El modelo puede representarse a través
de las ecuaciones típicas de un oscilador forzado, en este caso, por un torque excitador. Este
torque depende del movimiento del viento y el movimiento propio del puente, esta dependencia
es conocida como una autoexcitación aerodinámica.
Cuando la frecuencia de oscilación del torque excitador se aproxima a algunos valores de la
frecuencia natural de oscilación del puente se presenta el fenómeno de amortiguamiento que en
términos matemáticos puede abreviarse con un coeficiente de amortiguamiento total, tanto
mecánico, como aerodinámico. Así, si dicho coeficiente es mayor que cero (C > 0), las
oscilaciones son amortiguadas; si el coeficiente es igual a cero (C = 0), la amplitud de las
embargo, si el coeficiente de amortiguamiento es menor que cero (C < 0), entonces se presenta el
amortiguamiento negativo (Negative Damping) en donde la energía transferida por el viento es
mayor a la energía que el sistema puede disipar logrado que existan oscilaciones de gran
amplitud y provoque el colapso de la estructura.
El modelo de resonancia no lineal propuesto por McKenna establece que el modelo de flameo
torsional es incompleto al no considerar las oscilaciones por flexión y asumir el comportamiento
de las fuerzas como lineales. De esta manera el modelo de McKenna determina la existencia de
una fuerza excitadora de carácter sinusoidal cuya frecuencia y amplitud son constantes.
Las ecuaciones de movimiento que describen el comportamiento del puente por medio del
modelo de McKenna, son ecuaciones diferenciales no lineales, las cuales son susceptibles de
tomar comportamientos abruptos en la amplitud de las oscilaciones torsionales, pues las
soluciones de estas ecuaciones son inestables para determinadas condiciones iniciales.
La principal dificultad que presenta este modelo es que no tiene una coincidencia experimental y
tampoco logra explicar el origen de la fuerza excitadora con las características de amplitud y
frecuencia constante.
5.4.3 Práctica 2: Efecto Magnus
El fútbol es una de las mayores pasiones de muchos estudiantes y corresponde a un deporte que incorpora múltiples conceptos científicos, por tal razón se planteo está práctica basado en el
análisis de un gol que marco la historia del futbol, realizado por Roberto Carlos en 1997. Es
importante destacar que este tema promovió el interés en los estudiantes por afianzar la física
con un deporte de gran fascinación.
Objetivo: Identificar el efecto Magnus en diversas superficies en movimiento.
Pregunta problema:
- ¿La explicación del gol de tiro libre realizado por Roberto Carlos en el partido contra
Materiales:
- Tracker o aplicación android VidAnalysis.
- Smartphone.
- Pelota de plástico con 21,5 cm de diámetro aproximadamente.
- 1 metro y 1 tiza.
Hipótesis:
En la Tabla 2 se muestran las hipótesis planteadas por los estudiantes:
¿La explicación del gol de tiro libre realizado por Roberto Carlos en el partido contra Francia en 1997 es una cuestión de suerte?
3
- El efecto producido por el balón en el mundial fué cuestión de suerte. - Radica en la manera en que se golpea el balón.
- El balón utilizado en esa época era de un material más liviano lo que permite que se genere una trayectoria curva e ingrese al arco.
4
- El efecto producido depende en que punto de la pelota Roberto golpeó.
- Realizó el gol por los efectos del aire sobre la pelota ya que ocasiona presión sobre el balón.
- Para que se produzca este efecto el balón debe girar en todo el trayecto, de lo contrario el balón tendría una trayectoria recta.
Verificación de hipótesis:
Un equipo de estudiantes manifiesta que juegan este deporte y que es difícil lograr este suceso,
por tanto proponen realizar tiros libres con un balón más liviano que el de fútbol para que se
evidencie el efecto planteado en la pregunta problema ya que es más propicio que su movimiento
altere continuamente por los efectos del aire. Al gravar en cámara lenta los tiros libres,
manifestaron la presencia de movimiento rectilíneo y parabólico, considerando que la
matemática implícita para contestar la pregunta problema está basada en las ecuaciones de
dinámica clásica estudiadas en bimestres anteriores. Sin embargo concluyeron que ninguno de
los tiros libres estaba asociado al realizado por Roberto Carlos y que era esencial cambiar el
experimento para verificar las hipótesis o tener en cuenta otros parámetros físicos que estaban
desestimando por escaso conocimiento en el área.
Sin excluir la propuesta de los estudiantes, se les sugiere descargar la aplicación VidAnalysis
con la finalidad de exportar los videos grabados y analizar las magnitudes físicas que interfieren
en los tiros libres. A continuación se muestra una imagen correspondiente a un tiro libre.
Figura 23. Tiro libre exportado a Tracker
5.4.4 Antecedentes teóricos.
El efecto Magnus está presente en el movimiento curvo de los tiros con efecto que son muy frecuentes en muchos deportes que involucran el uso de balones o pelotas deportivas.
El mecanismo con que se desarrolla este efecto tiene como fundamento la ecuación de
Bernoulli y los conceptos de presión, energía cinética y energía potencial gravitacional.
Cuando un balón o pelota deportiva se encuentra en movimiento rotacional en el seno de una
corriente de fluido (por lo general aire), arrastra consigo una pequeña capa de aire por efecto de
la fricción. Como el objeto también tiene asociado un movimiento traslacional, está rodeado de
líneas de flujo con velocidad relativa al movimiento del balón o pelota deportiva logrando por
consiguiente una descompensación de velocidad en los hemisferios del balón o pelota. En la
región del balón donde experimenta una mayor velocidad, las líneas de flujo están más cerca
entres sí, y la presión resulta ser menor que en la región de menor velocidad, por ende, el balón o
Figura 24. Deformación de los elementos de la capa límite por una esfera que rota en sentido dextrógiro [1].
El efecto Magnus cambia su dinámica en relación al diseño con que son fabricados los balones
y pelotas deportivas, de este modo, por ejemplo, la pelota de baseball tiene una costura que
resulta definitiva para los lanzamientos rápidos y con efectos proporcionados por el Pitcher para
que el bateador falle sus intentos.
Por otra parte, las pelotas de golf tienen en su superficie pequeñas deformaciones (alvéolos)
que producen gran turbulencia en su superficie; De esta forma, la separación del flujo turbulento
es menor que la del flujo laminar y la resistencia del aire causada por la presión es menor, así se
puede lograr un mayor alcance en el lanzamiento Distintos tipos de balón de fútbol se han
utilizado en los diferentes mundiales que se han celebrado y con cada avance en relación al
análisis aerodinámico de estos elementos deportivos surgen propuestas que resultan en
espectaculares jugadas que han marcado huella en la historia del deporte mundial.
No obstante el deporte no es la única disciplina en la que han sido útiles estos estudios, en
propulsión de vehículos, por ejemplo, se han desarrollado prototipos y versiones reales de
vehículos como el barco Buckau (1924), el cual utilizaba rotores Flettner que aprovechan los
vientos cruzados que al pasar por los grandes rotores cilíndricos lograban que el efecto Magnus
También en algunas aeronaves sustituyeron las alas por rotores cilíndricos que lograban
mayores elevaciones que las tradicionales alas. Sin embargo, tal beneficio se desvirtuaba por la
gran resistencia que representa su diseño y la poca practicidad que ofrece.
5.4.5 Práctica 3: Perfiles Alares
Objetivo: Visualizar el comportamiento de la capa límite en distintos perfiles alares.
Preguntas problema:
- ¿Cómo pueden despegar los aviones?
Materiales.
- Microsoft EXCEL
- Autodesk Inventor Professional 2016
- Autodesk CFD 2016
- Cartón paja
- Perfiles reales aerodinámicos
Hipótesis:
¿Por qué usan alerones los automóviles de competencia? Equipo No. Hipótesis planteadas
1
- En los autos los alerones sirven para cortar el viento.
- Un carro puede volar si tiene alas a un ángulo determinado.
2
- Usan alerones para romper el aire.
- Sirven para que después de tanto impulso el auto no salga volando y se mantenga adherido al piso.
Tabla
Los estudiantes proponen el diseño y construcción de perfiles alares para incorporarlos en el túnel de viento. Teniendo en cuenta la propuesta, se les sugiere descargar las coordenadas
cartesianas de cualquier perfil aerodinámico, desde UIUC Applied Aerodynamics Group,
exportar los datos a EXCEL para realizar el gráfico de diversos perfiles y, posteriormente,
construir un modelo en 3D para ingresarlo a la cámara de pruebas y analizar cualitativamente el
comportamiento de flujo de aire. A continuación, se muestran dos perfiles alares graficados en
EXCEL, las coordenadas se establecen en el ANEXO 1.
Figura 25. Perfil alar A18 graficado en EXCEL con las coordenadas establecidas en [11] Anexo 1
Figura 26. Perfil alar NACA2414 graficado en EXCEL con las coordenadas establecidas en [11] Anexo 1
Los modelos construidos por los estudiantes, se muestran en la figura 27.
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
PERFIL ALAR A18
-0,1 -0,05 0 0,05 0,1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Figura 27. Perfiles alares construidos por los estudiantes teniendo en cuenta las coordenadas establecidas en UIUC Applied Aerodynamics Group (ANEXO 1).
Haciendo uso del túnel de viento los estudiantes realizaron una caracterización del flujo de
aire variando el ángulo de inclinación de los perfiles alares construidos. Para una mayor
contribución se empleo Autodesk Inventor Professional 2016, el cual permitió diseñar un modelo
en 2D de los perfiles alares importando las coordenadas (ANEXO 1) desde Microsoft Excel, tal
como se muestra en la figura 25.
a) b)
Posteriormente, se realiza una extrusión o profundidad de 3m de longitud del perfil anterior para cambiar a un modelo 3D (figura 29).
a) b)
Figura 29. Modelo 3D de dos perfiles alares a) Modelo 3D perfil alar A18 b) Modelo 3D perfil alar NACA 2414
Se realiza la exportación del modelo en 3D a Autodesk CFD 2016 con el propósito de establecer parámetros físicos para analizar con detalle el comportamiento de las líneas de
filamento y magnitudes físicas de gran importancia. El CFD permite realizar un volumen de
control, el cual es fundamental para establecer las condiciones físicas del sistema, las cuales se
muestran a continuación:
Parámetros iniciales
Ángulo de inclinación del perfil alar 0° Material perfil alar Al Material del fluido Aire Velocidad del flujo de fluido 590 m/s
Presión 30000 pa
Temperatura 0,25° C
Figura. 31. Velocidad de las líneas de filamento actuando respecto a un perfil alar A18
9. CONCLUSIONES
Teniendo en cuenta la elaboración de este trabajo se puede concluir lo siguiente:
- Es importante que las instituciones educativas promuevan el desarrollo de proyectos
donde los estudiantes puedan diseñar y construir artefactos que aparentemente son de
gran costo o complejidad y a su vez incentiva la puesta en marcha de actividades
investigativas por parte de los jóvenes.
- El proceso de diseño del túnel de viento resulta ser extenuante en cuanto a que no existen
lineamientos o parámetros definidos para su desarrollo y muchas decisiones deben
tomarse empíricamente basados en preconceptos de la física.
- La enseñanza de conceptos asociada al desarrollo de preguntas problema presentes en la
cotidianidad afianza el interés en estudiantes de educación media por aprender contenidos
científicos, siempre y cuando el proceso de enseñanza - aprendizaje se realice con la
- No sesgar el proceso de enseñanza - aprendizaje del concepto de capa límite a una
actividad puramente experimental, ya que la teoría es imprescindible en el estudio de este
concepto.
- El túnel de viento diseñado y construido permitió realizar un análisis cualitativo del
comportamiento de diversos fluidos respecto a perfiles construidos por los estudiantes y
abordar conceptos indispensables para el conocimiento de la capa limite como los son la
viscosidad, el flujo laminar y turbulento, la velocidad, la presión, entre otros.
10. BIBLIOGRAFÍA
Agencia de noticias UN. (13 de Octubre del 2011). Desarrollan primer túnel de viento en
Colombía. Agencia de noticias UN. Recuperado de
http://agenciadenoticias.unal.edu.co/detalle/article/desarrollan-primer-tunel-del-viento-en-colombia.html 1.1
Carrascosa, J., Gil, D., y Vilches, A. (2006). Papel de la actividad experimental en la educación científica. Caderno Brasileiro de Ensino de Física, 23 (2), 157 – 181.
Fernandes, I., Pires, D., y Villamañan, R. (2014). Educación científica con enfoque Ciencia – Tecnología- Sociedad – Ambiente. Construcción de un instrumento de análisis de las directrices
curriculares. Revista Formación Universitaria, 7 (5), 23 – 32.
J.C. Cuevas, O. Ocaña, A. Hurtado, S. Hidalgo (2009) “El efecto Magnus y la paradoja de D´Alembert: consideraciones del flujo potencial”, Lat. Am. J. Phys. Educ. Vol. 4, No. 2.
Potter, M., Wiggert, D. (2002) “Mecánica de Fluidos” Vol. 1. Editorial Thomson. México D.F.
3ra Edición
Seré, M. (2002). La enseñanza en el laboratorio. ¿Qué podemos aprender en términos de
conocimiento práctico y de actitudes hacia la ciencia? Enseñanza de las Ciencias, 20 (3), 357 – 368.
Schlichting, H. (1972). Teoría de la capa límite. Madrid, España: Urmo.
Silva, C. (2005). Diseño y Construcción de un túnel de viento bidimensional subsónico de circuito abierto por inyección (Tesis de maestría). Universidad de Colima, Colima, México.
Vachetta, M., Suárez, Á., Glisenti, G. (2009). La resonante caída del Tacoma Narrows Bridge.
Revista de la Asociación de Profesores de Física del Uruguay, 7 (7), 1 - 8
S. Pezzotti (2016) “Estudio experimental del efecto Magnus en cuerpos cilíndricos de secciones transversales diversas”, Tesis Doctoral, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de la Plata, Argentina.
ANEXO 1. COORDENADAS PERFILES ALARES
MANUAL DE USUARIO
TÚNEL DE VIENTO
SUBSÓNICO
ÍNDICE GENERAL.
1. OBJETIVO PRINCIPAL……….45
2. CONVENCIONES Y SÍMBOLOS………...46
2.1 Secciones………...46
2.2 Componentes………...46
2.3 Seguridad y mantenimiento………...48
3. SECCIONES FUNDAMENTALES DEL TÚNEL DE VIENTO……….49
3.1 Cámara de contracción………...50
3.2 Cámara de pruebas. ………....51
3.3 Difusor de salida A………...52
3.4 Difusor de salida B………...53
4. ENSAMBLAJE………....53
5. USO DEL TÚNEL DE VIENTO………....56
5.1 Principio de funcionamiento………...56
6. COMPONENTES ELÉCTRICOS Y ELECTRÓNICOS………...62
7. ANEXOS………...63
1.
OBJETIVO PRINCIPAL.
El objetivo fundamental de este manual es guiar al usuario para conocer y utilizar el túnel de
viento de forma adecuada y ofrecer ayuda en procedimientos específicos del dispositivo.
La información que comprende este manual de usuario es la siguiente:
Secciones que constituyen el túnel de viento y su funcionamiento.
Ensamblaje de las secciones del túnel de viento.
Componentes eléctricos y electrónicos.
Programación incorporada.
Mantenimiento, seguridad y riesgos.
2.
CONVENCIONES Y SIMBOLOS.
2.1 SECCIONES.
SECCIÓN SÍMBOLO OBSERVACIÓN
CÁMARA DE
CONTRACCIÓN CC
Sección en acrílico de color azul, con forma curva tipo embudo y una brida de unión.
CÁMARA DE PRUEBAS CP
Sección en acrílico de menor tamaño, color cristal con tapa superior y doble brida de unión.
DIFUSOR DE SALIDA
(A) DS(a)
Sección en acrílico con
forma de pirámide
rectangular, de color azul y doble brida de unión.
DIFUSOR DE SALIDA
(B) DS (b)
Sección en acrílico con
forma de pirámide
rectangular, de color cristal y una brida de unión.
2.2 COMPONENTES.
COMPONENTE SÍMBOLO OBSERVACIÓN
REJILLA PANAL
(HONEYCOMB) HC
Arreglo de pajillas o
pitillos enmarcados en
acrílico de color naranja.
PANEL DE CONTROL PC
Caja de madera color
wengue oscuro que
contiene la circuitería; su longitud es equivalente al de la CP.
VENTILADOR
EXTRACTOR VE
Ventilador de cinco aspas, de color negro y su tamaño coincide con la parte final del DS (b).
SOPORTES CC,DS (a) y
DS (b) SM
Soportes de madera color
wengue oscuro, con
distintas alturas: CC
(menor altura), DS (a y b)
CÁMARA DE HUMO
(SMOKE MACHINE) CH
Caja metálica de color
negro con sistema de
inyección de aceite por medio de un émbolo de jeringa.
LINEALIZADOR LÁSER LL
Artefacto compuesto por un ventilador pequeño con un espejo en su centro de giro y un puntero láser cuyo haz incide sobre el espejo.
FUENTE DE PODER
ATX
(POWER SUPPLY)
PS
Fuente de poder ATX para computadoras de escritorio, ubicada al interior del PC.
MULTITOMA DE 6
CANALES MT
Regleta de distribución eléctrica con 6 tomas ubicada en la parte trasera del PC
MICROCONTROLADOR
ARDUINO UNO (A) AU (a)
Placa microcontroladora de color azul ubicada en el PC
con conectores a módulos complementarios.
MICROCONTROLADOR
ARDUINO UNO (B) AU (b)
Placa microcontroladora de color azul ubicada en el PC
con conexión a circuitos electrónicos.
MICROCONTROLADOR
MSP430 LAUNCHPAD
TEXAS INSTRUMENTS
MSP430
Placa microcontroladora de color rojo ubicada en el PC
con conexión al motor a pasos.
MÓDULO RELEVADOR
MR
Placa de 4 relevadores, de
color azul con leds
indicadores de color rojo.
MÓDULO
CONTROLADOR
MOTOR PASO A PASO ( STEPPER MOTOR)
MCMPP
MÓDULO BLUETOOTH
MB Tarjeta dimensiones de con pequeñas led
intermitente indicador de conexión.
POTENCIOMETRO MOTOR PASO A PASO
POT(MPP)
Resistencia variable con la que se puede modificar la posición angular del motor a pasos.
POTENCIOMETRO DIMMER
POT(DIM) Resistencia variable
encargada de modificar la velocidad del ventilador extractor de aire.
DISPLAY LCD 16X2 LCD
Pantalla de cristal líquido
encargado de la
visualización de
información obtenida por el AU (b).
2.3 SEGURIDAD Y MANTENIMIENTO.
INDICADOR SÍMBOLO OBSERVACIÓN
¡ATENCIÓN!
Suministra información acerca de prácticas o situaciones que pueden representar un riesgo para el operador o equipo.
ALTA TENSIÓN
Alerta sobre las partes del equipo donde se manipula alta tensión y existe inminente riesgo de choque eléctrico que puede provocar lesiones y daños al operador y al equipo.
GASES NO
INFLAMABLES Y NO TÓXICOS.
ALTA TEMPERATURA
Alerta sobre las partes del equipo donde se alcanzan altas temperaturas que pueden generar quemaduras y lesiones al operador o al equipo.
LÁSER EN
FUNCIONAMIENTO
Informa al usuario sobre la exposición a radiación laser de clase II que puede ser perjudicial para el operador si se observa directamente por tiempo prolongado.
PELIGRO DE CORTE
Alerta al usuario sobre la parte del equipo (ventiladores) donde puede sufrir cortes o amputaciones por manipulación errónea del equipo.
SE RECOMIENDA QUE LAS PERSONAS RESPONSABLES DE
LA OPERACIÓN Y EL MANTENIMIENTO DEL EQUIPO ESTÉN FAMILIARIZADOS CON EL MANEJO ELÉCTRICO Y LOS
INSTRUMENTOS QUE LO INTEGRAN.
TOME PRECAUCIONES EN EL MANEJO DEL EQUIPO COMO
LO INDICA EL MANUAL PARA SU ADECUADO FUNCIONAMIENTO Y EVITAR
LESIONES AL OPERADOR O DAÑOS SIGNIFICATIVOS AL EQUIPO.
3.
SECCIONES FUNDAMENTALES DEL TÚNEL DE VIENTO.
El túnel de viento de circuito abierto accionado por succión de aire está diseñado para realizar
pruebas demostrativas de laboratorio, por tal motivo su estructura fue elaborada con materiales
de fácil adquisición que permiten futuras modificaciones o cambios de sus secciones. Su diseño
se basa en cuatro secciones acoplables por medio de bridas de unión que se fijan con tornillos,
permitiendo un desmontaje fácil para su limpieza, calibración y mantenimiento. Las secciones
Figura 1. Secciones principales que componen el túnel de viento.
3.1 CÁMARA DE CONTRACCIÓN (CC).
La rejilla panal ingresa a presión, no es necesaria fuerza excesiva y tampoco ningún tipo de pinza externa a menos que se requiera la instalación de algún dispositivo (Ver Figura 2). La
unión de las secciones se realiza por medio de las bridas que se ajustan con tornillos de mariposa,
así que no necesitan ningún tipo de llave o herramienta de ajuste (Ver Figura 3).
Figura 2. Ajuste de la rejilla panal (HC) con la cámara de contracción (CC).
La ubicación de los tornillos debe formar un arco superior debido a la ubicación del panel de
control (PC) justo debajo de la cámara de pruebas (CP) que impide que el arco inferior quede libre.
Figura 3. Brida de unión de la cámara de contracción (CC) con la cámara de pruebas (CP). 3.2 CÁMARA DE PRUEBAS (CP).
Figura 4. Cámara de pruebas (CP).
La ubicación de la cámara de pruebas debe ser de tal manera que el orificio donde encaja el motor paso a paso quede hacia la izquierda pues no está completamente centrado en la cámara.
De igual manera debe quedar orientada la tapa de forma que su apertura se realice hacia la
3.3 DIFUSOR DE SALIDA DS (A).
Figura 5. Difusor de salida DS (a).
Se recomienda ensamblar las dos partes del difusor de salida (DS a y b), luego unirlas a la cámara de pruebas para evitar esfuerzos mecánicos en las bridas puesto que la última sección
(DS b) tiene el ventilador de extracción incorporado, lo cual representa mayo peso en el extremo
final del difuso.
3.4 DIFUSOR DE SALIDA (DS B).
La orientación de las figura 6 no debe confundirse, pues las cavidades deben coincidir con
cada una de las secciones respectivamente, por esta razón se indican cuáles son las
correspondientes uniones.
Para estabilizar las secciones y que la cámara de pruebas quede a nivel se dispone de los
soportes CC, DS a y DS b. Estos se ubican verticalmente bajo su respectiva sección.
Los soportes CC, DS (a) y DS (b), se muestran en la Figura 7.
Figura 7. Soportes para las secciones CC, DS (a) y DS (b).
4. ENSAMBLAJE
En esta sección se indicará el paso a paso para ensamblar correctamente el túnel de viento.
¡ATENCIÓN!
ALGUNAS SECCIONES DEL TÚNEL PUEDEN OCASIONAR
CORTADAS EN SUS MANOS, MANIPULE ESTAS PARTES
PREFERIBLEMENTE CON GUANTES DE MANTENIMIENTO.
PASO IMAGEN
Contraponer las bridas de unión de las secciones DS(a) y DS(b) ajustando con tornillos tipo mariposa que pueden ser adaptados manualmente sin necesidad de herramientas de acople.
Introducir la rejilla panal (HC) en la cámara de contracción (CC) de manera que esta quede ajustada a presión.
Ensamblar las secciones DS(a) - DS (b) y CC a las bridas de unión de la cámara de pruebas insertando los tornillos en el arco superior donde se encuentran los orificios para su ajuste. Esto con el objetivo de no obstruir el acople de la cámara de pruebas
(CP) con el panel de control (PC) por la presencia de tornillos en el arco inferior de las bridas de unión de la (CP).
Ubicar los soportes CC, DS (a) y DS (b)
en cada una de las secciones
respectivamente para lograr que la cámara de pruebas esté a nivel en el momento de hacer las pruebas.
