DE LO ULTIMOOO!

Presentación del proyecto y resultados finales

Debido a problemas con la máquina especial para hacer el tanque con PAI, decidimos construirlo finalmente de acrílico y aprovechar este mismo material para hacer el “tarro” que contendrá el hielo, manteniendo las dimensiones que aparecen más abajo.
Encargamos la construcción a la tienda “PlastiCril”(www.plasticril.cl), especializada en piezas y adornos de acrílico.

Costo final construcción estanque más material: $ 30.000 pesos.

Estanque de acrílico

Fotos dispositivo giratorio

Aca podemos ver un video del experimento. Se aprecian claramente las corrientes que van desde radios interiores hacia la perisferia y viceversa:

Costos del dispositivo incluyen, maderas dimensionadas, tormillos, pegamento, rodamiento, cables, enchufes: $12.000 pesos.

Costos total proyecto: $ 42.000 pesos

Datos y Resultados experimentales

Procedimiento experimental

Partimos llenando con agua el estanque con una profundidad de 10 cm.
Luego hacemos funcionar el aparato rotatorio algunos minutos hasta que el tanque y el agua dentro de el giren a la misma velocidad angular.
Agregamos el hielo en el compartimiento interior con un poco de agua para eliminar espacios de aire que dificulten la correcta transmisión de calor. Esto último es lo que genera una importante diferencia radial de temperatura.
Esperamos unos minutos para que se cree la corriente deseada, y se agregan las tintas o colorantes reveladoras.

Datos experimentales (gradiente de temperatura)

Luego de medir la temperatura radial con un termómetro, encontramos que en el radio interior esta era de 2°C y al exterior era de 20°C. Esta diferencia ocurría en un rango radial de 5 cm y 20 cm, por lo que (considerando una distribución lineal de temp.) obtuvimos un gradiente empírico de : (20-2)°C/(20-5)cm=1.2°C/cm=1.2 K/cm .

Medición experimental de la temperatura

Datos teóricos

Para el agua (fluido incompresible) la relación de corrientes termales tiene la forma:

Con esta ecuación podemos obtener un valor para la velocidad de las corrientes circulares que ocurren en el tanque y que forman las celdas, donde:

- “u” es el valor que representa estos flujos.
- “z” representa la profundidad del agua.
- “g” es la gravedad
- “omega” es la velocidad angular del tanque
- “alfa” es el coeficiente de expansión del agua
- dT/dr representa el gradiente de temperatura

Para nuestros casos en particular, con:

g=981 cm/s^2
"omega"=0.2 rad/s (2 rpm para el caso Hadley) y 1 rad/s (10 rpm para el caso Eddy)
z=10 cm
dT/dr=1.2 K/cm
alfa= (2.0666 * 10^-4 ) K^-1
(de tablas, fuente: http://physchem.kfunigraz.ac.at/sm/Service/Water/H2Othermexp.htm)

Con todo lo anterior, obtuvimos una velocidad de corrientes de 0.61 cm/s en régimen Hadley y 0.12 cm/s en régimen Eddys.

Luego de ver los valores obtenidos de las velocidades de las corrientes, ocurre que es lo contrario a lo que pensábamos. A simple vista, se asume que como en el caso Eddys el tanque gira más rápido que en el caso Hadley, las corrientes fluyen también con mayor rapidez por la aceleración de Coriolis. Pero esto no pasa y es exactamente el contrario, las corrientes en el régimen Hadley van más rapido que en Eddys.

AVANCES

Los avances más tangibles que hemos hecho en el proyecto se refieren a las piezas con las que vamos a construir el modelo. Dentro de las más importantes están:



El motor eléctrico y sistema de transmisión:

Con respecto a la elección de un motor adecuado para nuestro propósito, consideramos que la característica más notoria que debía cumplir es que sea capaz de hacer girar la masa de agua que contendrá el tanque giratorio, que en volumen estimamos que serán unos 3 litros, es decir unos 3 kilos, esto es despreciando el peso del propio tanque el cual es mucho menor a este valor. Por esto, decidimos agregar a la construcción un rodamiento en el eje que tendrá el tanque de modo de minimizar el roce.
Teniendo en cuenta estos factores y luego de visitar tiendas de electrónica para ver todas la opciones, decidimos que el motor más adecuado, capaz de cumplir con las especificaciones del experimento (esto es, lograr velocidades angulares de entre 1 y 2 rpm para el caso Hadley y sobre 2 rpm para el caso Eddy) es uno que cuente con un reductor.
Afortunadamente uno de los miembros del grupo tiene un motor que cuenta con estas características. Sus especificaciones principales son:
-RPM: 60 max.
-Torque nominal: 6 kg-cm
-Voltaje: 12V
-Precio: $ 8.500 (Casa Royal)

Motor eléctrico con reductor

Referencia rodamiento eje tanque

La forma en que variaremos la velocidad de giro del motor es mediante un transformador con voltaje variable y además un potenciómetro para una regulación más "fina".
Las características principales del transformador:
-Voltaje de salida: 3-12V
-Amperaje: 1000mA
-Precio: $5.000 pesos

Si es que no logramos variar la velocidad del motor lo suficiente como para que el tanque pueda girar a 2 o menos RPM, tenemos pensado hacer una reducción extra mediante unas poleas, como en la figura de "Esquemas del Sistema".

El tanque y tarro con hielo:

En cuanto al tarro que contendrá el hielo para producir el diferencial radial de temperatura en el tanque, bastará con un común y corriente tarro de "tipo Nescafe".
Para el tanque, que es la parte más importante o por lo menos la más vistosa de nuestro dispositivo, tenemos otra opción en cuanto al material y a su construcción aparte de la idea inicial que tenemos de usar acrílico. Esta es construir el tanque con PAI (poliestireno de alto impacto). El PAI es un plástico comúnmente blanco que existe en varios grosores y es termo-moldeable. Es el plástico que se utiliza para hacer desde los envases de yogurt hasta los cascos para la construcción.

Pro's del PAI:
-Bajo costo, su valor por pliego ($5000) es menor al acrílico ($8000 medio pliego).
-Es termo-moldeable, es decir, podemos usar un secador de pelo o pistola de calor para darle forma.
-Existen varios grosores, desde 0,5 mm hasta 4 mm

Con's del PAI:
-Se pega con MEK (metil etil ketona) un solvente especial: Su precio es de $2000 el litro.
-Lugar de compra (PAI y MEK) es más lejos que lugar de compra del acrílico.

La gracia que tiene hacer el tanque con PAI, es que podemos construirlo por "vacuum-forming" (método conque hacen la mayoría de los envases y botellas alimenticias) usando una máquina especial que se encuentra en la Escuela de Diseño de la PUC en el Taller de Modelos y Prototipos. Mediante este procedimiento podemos hacer el tanque de una sola pieza, sin junturas o esquinas por donde podría haber filtraciones. Además no sería necesario ningún tipo de pegamento.
Si es que el sistema por vaccum-forming no funciona, podemos seguir usando como material el PAI, pero habría que construir las piezas y pegarlas con MEK.

Pedazo de PAI

Moldes hechos en PAI por vacuum-forming

Las dimensiones del tanque:

Tintas "identificadoras"

Con respecto a las tintas que muestran las corrientes que se generan en el modelo, vamos a usar los colorantes que sirven para cocinar galletas y dulces de colores. Los venden en cualquier supermercado y vienen en los tres colores primarios, que son justo los que vamos a utilizar. Su precio aproximado es de $1000 pesos los tres envases.

¿Cámara o Fotos?

El sistema audiovisual que usaremos para recopilar los datos todavía no esta totalmente decidido. Por un lado esta lo más práctico, que sería una grabación del experimento Eddy y Hadley, pero esos son fenómenos muy lentos que duran alrededor de 10 minutos, y un video de tanto tiempo no creo que llame mucho la atención. La otra opción es ir capturando el avance con fotos cada cierto tiempo, de modo de tener entre 5 y 10 fotos que muestren de manera más directa como cambian visualmente.

Introducción

Breve Descripción

Durante este semetre se nos dio la tarea de crear un proyecto relacionado con la Mecanica de Fluidos, de motivacion e interes del grupo.

El tema escogido finalmente es el de "Dinamica de Fluidos Geofisicos", que trata principalmente del movimiento de las masas de aire en la atmosfera terrestre que producen el "Clima".

Para esto realizaremos mediante un modelo relativamente simple, una simulacion que constara de los dos principales factores que producen los cambios atmosfericos, la rotacion de la tierra y la diferencia de temperatura entre diferentes posiciones de la tierra.




Motivación

Las principales caracteristicas que nos motivan a realizar este experimento son las siguientes:

-Usando un dispositivo relativamente pequeño podemos simular efectos a nivel terrestre.
- Nos da otra visión del concepto de mecánica de fluidos, ya que cuesta imaginarse que esta tan envuelto en cosas como las corrientes climáticas.
- Podremos ver personalmente el desarrollo completo del fenómeno, envés de etapas o fotos típicas de libros.
- Ademas el dispositivo a implementar, si bien requiere trabajo, no es un sistema complicado ni tampoco costoso.


Descripcion de los Integrantes

Nombre: Ignacio Gaete H.
Año de Ingreso:2005
Especialidad:Ingenieria Civil Industrial, Diploma en Ingeniera Electrica

Nombre: Felipe Meneses
Año de Ingreso: 2005
Especialidad: Indeciso

Nombre: Ivan Gonzales M.
Año de Ingreso: 2002
Especialidad: Ingenieria Civil Industrial, Diploma en Ingeniera de Diseño y Contruccion de Obras.

Nombre: Nicolas Spalloni
Año de Ingreso: 2004
Especialidad: Ingenieria Civil Industrial, Diploma en Ingenieria Mecanica

Datos del Proyecto

Dispositivo experimental

El dispositivo es muy simple, cosiste básicamente en un estilo de "acuario circular" de acrílico transparente el cual tendrá agua, con un compartimiento en su centro (por ej. un tarro) el cual estará lleno de hielo. Este "tanque" se monta sobre una "base giratoria" que será impulsada por un motor eléctrico conectado a un transformador. A su vez la idea es poder regular la magnitud de la velocidad de giro de la base, para así simular distintas condiciones y lugares terrestres (ya que en los trópicos el efecto Coriolis es menor que en latitudes superiores). Además necesitaremos tintas de distintos colores para poder identificar las corrientes presentes y una cámara de video para capturar el avance del fenómeno.

Estimación de Costos

Se utilizarían dos planchas de acrílico, una para confeccionar los cilindros y otra para la base las cuales serán pegadas con un pegamento en base a cloroformo (especial para acrílico, también se puede utilizar Poxipol transparente). Para regular la velocidad se utilizara un potenciómetro o similar. Valores aproximados:

· Plancha 500x500x8 mm : $ 9.000 (c/u)

· Pegamento: $ 2.000

· Motor Eléctrico y Transformador: $ 13.000

· Potenciómetro: $ 5.000

· Tintas: $ 1.000

Las tareas para confeccionar el modelo y desarrollar el blog del proyecto se realizaran en forma colectiva.


Esquemas del Sistema

Vista isométrica superior:

Vista isométrica inferior:

Vista en elevación:

Experimentos

En los trópicos (efecto de Hadley) el efecto de la aceleración de Coreolis (provocado por la rotación de la tierra) sobre el movimiento de masas de aire es menor que en latitudes medias y altas (efecto de Eddy).

El cilindro del medio se llena de hielo, generando una distribución radial de temperaturas, análogo al efecto generado en la tierra que enfría los polos y calienta el ecuador.

Nuestros experimentos observan ambos efectos (Hadley y Eddy) con tan solo modificar una variable: la velocidad de giro del estanque.

Preparación:
Primero debemos fijar la lata del medio al estanque para que no se mueva, luego llenamos con agua hasta completar unos 10cm de profundidad.
Para poder seguir las corrientes debemos pintar con gotas de tinta de colores ciertos puntos del estanque. Usamos dos colores, y colocamos uno a un radio cercano al centro y otro en la periferia.

Régimen Eddy(rotación rápida):
Se trata de circulaciones inestables, no simétricas que ocurren en latitudes no tropicales.
Para generarlas debemos:
- Generar una rotación de 10rmp (de hecho, sirve cualquier rotación de mas de 2rmp).
- Dejar el estanque en ese estado por 10 minutos, o hasta que el líquido comience a girar como un sólido.
Cumplido el tiempo de preparación comenzaremos a observar que los colores colocados inicialmente en la periferia (corrientes calientas) comienzan desplazarse hacia el centro (corrientes frías) y viceversa.

Circulación de Hadley(rotación lenta):
Se trata de circulaciones simétricas axialmente que se producen a medianas y altas latitudes.
Para generarlas debemos:
- Generar una rotación de 1-2rmp.
- Dejar el estanque en ese estado por 10 minutos.
Ahora podemos observar lo siguiente:

Aca podemos observar como funciona el experimento de Eddy.

Fuente: http://www-paoc.mit.edu/labguide/circ.html

Ponte al día!

La circulación atmosférica es un movimiento del aire atmosférico a gran escala, y el medio por el que el calor es distribuido sobre la superficie de la Tierra.

La estructura a gran escala de la circulación atmosférica varía de año a año, pero la estructura básica permanece siempre constante. Sin embargo, los sistemas atmosféricos individuales - depresiones de media latitud, o células convectivas tropicales - ocurren "aleatoriamente", y está aceptado que el tiempo no puede ser pronosticado más allá de de un breve período de tiempo: quizá un mes en teoría, o (actualmente) sobre diez días en la práctica. No obstante, la media de estos sistemas - el clima - es muy estable.

Podemos distinguir dos tipos de movimientos de masas de aire: circulación latitudinal y circulación longitudinal. La primera aparece como consecuencia de que la radiación solar incidente por unidad de área es más alta en el ecuador cálido, y disminuye según la latitud aumenta, alcanzando su pico mínimo en los polos. La circulación longitudinal por otro lado, aparece dado que el agua tiene una capacidad mayor de calentamiento que la tierra y por tanto absorbe y expulsa calor con menos facilidad.

Circulación latitudinal

Los cinturones de viento y el jet stream (corriente de chorro) que rodean el planeta son modificados por tres células: la célula de Hadley, la célula de Ferrel, y la célula Polar (La interpretación de los dos últimos es compleja). Hay que tener en cuenta que no hay una única célula de Hadley, por ejemplo, pero sí varias dentro de la zona ecuatorial que cambian de posición, se combinan, y separan en un complicado proceso a lo largo del tiempo. Para propósitos descriptivos, sin embargo, son referenciadas en singular.

Circulación longitudinal

Su efecto es perceptible Incluso en microescalas, ya que lleva a la brisa marina, aire enfriado por el agua hacia la costa durante el día, y transporta la brisa terrestre, aire enfriado por el contacto con el suelo, hacia el mar durante las noches.
En una escala mayor, este efecto deja de ser diurno (diario), y en su lugar es temporal, o incluso decadal en sus efectos. El aire cálido se eleva sobre las regiones del ecuador continental y oeste del Océano Pacífico, y fluye al este u oeste, dependiendo de su ubicación, cuando alcanza la tropopausa, y se hunde en el Atlántico e Índico, y en el este del Pacífico.
La célula del Océano Pacífico juega un papel importante en el tiempo atmosférico de la Tierra. Esta célula ubicada completamente en el océano aparece como resultado de una marcada diferencia entre las tempertauras de la superficie de los extremos occidental y oriental. En circunstancias normales, las aguas del oeste son cálidas y las del este frías. El proceso comienza cuando la actividad convectiva sobre el ecuador de Asia Oriental y el aire frío que se hunde desde la costa occidental de Sudamérica crean un patrón de vientos que empuja el agua del Pacífico hacia el oeste y la amontona en el Pacífico occidental. (Los niveles de agua en el Pacífico Oeste son 60cm más altos que en el Este, una diferencia que se debe únicamente a la fuerza del aire.)

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Circulación_atmosférica