Usain

Rendimiento del barco

Análisis Matlab estabilidadjavascript:void(0)

Cálculos de Estabilidad

Fotos construcción embarcación

Avance del Proyecto en imágenes

Diseño placa

Planos del Modelo

Modelo antiguo:

Planificación

Elección del Material

Como mencionamos antes, en los fundamentos, la elección del material fue un proceso en que se analizaron diversos aspectos.
Los materiales que comparamos para la embarcación fueron varios, pero finalmente comparamos 2 materiales distintos. La madera de balsa y la fibra de vidrio.
Comparamos diversos puntos que consideramos importantes para las características necesarias (hidrodinámicas).
Los puntos a considerar fueron:

Porosidad: Entre estos dos materiales, el más poroso sin duda es la madera de balsa. Las fibras de la madera, dejan muchos espacios libres y por lo tanto absorbe agua con mucha facilidad. De esta manera, los espacios entre las fibras, y las células que conformas la madera, permiten absorber agua y por lo tanto aumentar su peso. Esta consideración, en comparación con la fibra de vidrio que pese a también estar compuesta de fibras, éstas no son de origen vegeta, lo que disminuye su absorción. Esto nos hizo optar en este sentido por la fibra de vidrio.

Liviano: En cuanto a cuál material es más liviano, comparamos las densidades de ambos.
La densidad de la madera de balsa es de: 0.1-0.15 gr/cm3
La densidad de la fibra de vidrio es de: 1,6 gr/cm3
Por lo que en este punto, claramente el material más liviano es la madera de balsa. La fibra de vidrio es algo así como 10 veces más densa. En este punto la madera de balsa nos daba una mejor opción, pero considerando el punto anterior (Porosidad), no es mucha la ventaja al manejar los materiales en un fluido como el agua.

Resistente: En este punto consideramos que tenía mejor perspectiva, la fibra de vidrio pese a que la madera responde muy bien a la compresión y a la tracción debido a sus fibras longitudinales. Creemos que la fibra de vidrio puede entregarnos una mejor respuesta en este sentido.
Por revisar estos puntos pero principalmente por la absorción de agua de la madera de balsa, optamos por hacer nuestra embarcación de fibra de vidrio. Además es un buen material en cuanto a responder a la viscosidad del agua, por algo es usada en tablas de surf, en que se requiere velocidad en la tabla.
La fibra de vidrio se obtiene al hacer pasar vidrio a muy altas temperaturas (fundido) a través de pequeños agujeros que lo convierten en muchas fibras que después se enfrían y se vuelven más dúctiles. Para trabajar este material, es necesario generar moldes en un material llamado PAI. La fibra de vidrio se ubica encima de este material y aplicándole resina, se van pegando las fibras. Así se va constituyendo el material, y se deja secar.
Esperamos que la ductilidad, resistencia y buena flotación de la fibra de vidrio nos den una buena hidrodinámica.

Fundamentos de los cálculos

Para la determinación de la geometría de la embarcación, evaluamos los factores hidrodinámicos a los que se ven sometidas las embarcaciones reales en el agua.

Para esto, primero analizamos las fuerzas y variables que afectan a un material inmerso y en movimiento en el agua. Estas son la diferencia de presiones que se generan alrededor de la embarcación, y la viscosidad del agua. Estas dos fuerzas se oponen al movimiento, lo que genera pérdidas de energía en velocidad.

La viscosidad es inherente a un fluido y representa una oposición al esfuerzo de corte que genera el movimiento en un fluido. Contra esto, la forma de plantear una solución hidrodinámica es escoger un material poco rugoso en su superficie y suficientemente liso. Esto ayudaría a minimizar los efectos de la viscosidad, que sólo se pueden minimizar, no eliminar. Por esto, elegimos usar la fibra de vidrio, un material muy moldeable para lograr las geometrías deseadas para minimizar efectos de las presiones. Además es un material muy liviano, lo que aporta poco peso a la embarcación y es un material que flota muy bien.

Para las diferencias de presiones a las que se ve enfrentada la embarcación, la solución que proponemos es referente a la geometría del casco de la embarcación. Minimizar las diferencias de presiones en diversas zonas de la embarcación, se solucionan atendiendo a dos factores esenciales.

• Crear un casco simétrico en cuanto a su simetría.
• Disminuir al mínimo la separación entre las secciones laterales del casco.

Estos dos puntos ayudan a hacer más hidrodinámica la embarcación ya que una separación pequeña entre los lados del casco, genera poca separación entre las líneas de fluido. Esto significa que las líneas que rodean a la embarcación, se separan poco entre ellas, lo que genera menor diferencia de presión entre la parte anterior y la posterior.

Tratamos de evitar estas diferencias de presiones. Esto se logra haciendo geometrías simétricas y poco separadas entre sus lados.

Así logramos disponer de una geometría y de un material que creímos adecuados atendiendo a estos requerimientos.

Otro factor importante a considerar, tiene que ver con el área proyectada de la embarcación ante el fluido. Esta consideración en cuanto a la geometría, se evalúa en el coeficiente de Arrastre (Cd). El que se representa de la siguiente forma:

Fext = -0.5* ρ * Cd*Ap*V2

Dónde Ap es el área proyectada, V es la velocidad y Cd es el coeficiente de arrastre. Esto muestra que el área proyectada influye en la aparición de una fuerza externa que afecta a la embarcación. Esto implica que tratamos de minimizar el área proyectada ante el fluido.

Proyecto Semestral

El proyecto del curso Mecánica de Fluidos de este semestre consiste en lo siguiente:

"diseñar y construir un prototipo de una pequeña embarcación a escala que cumpla con ciertas restricciones y reglas en relación a potencia disponible para impulsarlo y presupuesto. Esta embarcación debe flotar de manera estable y moverse en forma controlada cuando es empujado."

Las restricciones a las que esta sujeto el diseño son:

• No existen restricciones en cuanto a peso, materiales, dimensiones o forma de la embarcación.
  
• El costo de los materiales empleados para su fabricación no debe sobrepasar los $15.000
• La embarcación debe ser capaz de transportar 1.0 lt de agua en una botella desechable de 1.0 ltde Coca-Cola.
• Cada grupo debe definir la ubicación del recipiente sobre la cubierta
• La embarcación debe contar con un elemento tipo placa para recibir el impacto de un chorro en su parte posterior a 10cm sobre la línea de flotación. Esta placa puede tener la forma que quieran, pero debe ser posible desplazarla verticalmente 3cm hacia arriba y 3cm hacia abajo para ajustarla a la posición del chorro.
• La embarcación debe ser mono-casco.
• La línea de flotación debe situarse a 5cm de la cubierta donde está situada la botella de Coca-Cola.
• Debe permanecer estable frente a solicitaciones, sin volcarse lateralmente ni en el sentido
  longitudinal, permaneciendo el eje principal del aparato horizontal.

Los objetivos que debe cumplir la embarcación al desplazarse son los siguientes:

• El chorro se produce desde un pequeño estanque que contiene 15 litros de agua. La cota inicial del espejo de agua respecto del suelo de la superficie libre estará a 2.0 m. A todos los grupos se les proporcionará el estanque el que estará montado en una estructura construida por el DIHA.
• Cada grupo decidirá como aprovecha esta energía potencial para lograr la mayor potencia deimpacto del chorro de salida sobre la placa que impulsará la embarcación.
• La embarcación será probada en un canal cuya superficie libre estará a 40 cm del nivel del suelo.
• El impacto del chorro sobre la placa montada en su parte posterior generará el impulso necesariopara moverlo.
• En estas condiciones la embarcación debe desplazarse en forma controlada sin desviarse por unadistancia de 5 metros.

Los criterios de evaluación son los siguientes:

• Que la embarcación cumpla con las condiciones de flotación y estabilidad pedidas (se le aplicarán cargas para evaluarlo).
• Que navegue de manera estable sin desviarse usando la potencia producida por el impacto delchorro.
• La manera en que se aprovecha la energía potencial contenida en el estanque.
• La calidad de las terminaciones de la embarcación, del sistema de propulsión y la originalidad deldiseño.
• El desempeño hidrodinámico (rápidez con que se desplaza).
  

Finalmente las fechas de las entregas del proyecto son:

• 1° Entrega 16 de Octubre
• 2° Entrega 11 de Noviembre
• Entrega final y competencia 20 de Noviembre